WO2020043287A1 - Positioniersystem für ein unbemanntes luftfahrzeug sowie unbemanntes flugsystem und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a positioning system for an unmanned aircraft, in particular a drone, according to the features in the preamble of claim 1 and an unmanned flight system equipped with it according to the features of claim 9. Furthermore, the invention relates to a method for operating such an unmanned flight system according to the features of Claim 10.
- UAV unmanned, uninhabited vehicle
- unpiloted aerial vehicle In their capacity as a possible control or monitoring and / or transport device, they are also becoming increasingly important in commercial use. A distinction must therefore be made between aircraft and model aircraft that can only be assigned to pure leisure or air sports activity.
- the control of unmanned aerial vehicles ranges from purely manual, mostly wireless operation to fully autonomous operation. Such aircraft are, for example, by using GPS (Global
- unmanned aerial vehicles can also include at least one camera system, the recording of which is transmitted, for example, in real time to a person at least temporarily controlling the aircraft (first person view).
- DE 10 2014 003 417 A1 discloses a positioning system for an unmanned aircraft which, when the unmanned aircraft approaches the base station, switches off its GPS control, which was active until then, and activates optical signal transmitters in the form of pulse transmitters arranged on the base station.
- the unmanned aircraft has a receiving unit with optical sensors arranged in a circle around its vertical axis, which are used together with a flight control system to control the unmanned aircraft. Three rows of these sensors are arranged one above the other, of which only the middle row has a horizontal orientation with respect to the detection range of the sensors, while the sensors of the upper row are inclined upwards and those of the lower row downwards with respect to the horizontal .
- the optical signal transmitters of the base station are also arranged in a circle around it.
- an approximate positioning of the unmanned aerial vehicle in hover is possible above the base station. If a position is reached above the base station, additional optical sensors arranged on the underside of the receiving unit serve to receive further optical signal transmitters arranged in the center of the base station. If these come into contact with each other, the unmanned aircraft remains in hover over the base station and a rope of a rope system carried in the wound state is unwound. An iron core arranged at the end of this rope is inserted into a conical recess in the base station. tion drained into it and fixed in it by an activated electromagnet. When the rope is then wound up, the unmanned aerial vehicle in hover is pulled towards the base station and coupled to it.
- the circumferential arrangement of the numerous optical sensors sometimes requires a complex evaluation of the signals coming from the optical signal transmitters of the base station.
- the weight to be carried increases, whereby the energy required to operate the receiving unit can lead, for example, to an increase in the weight of the electric battery to be carried and / or a correspondingly shortened flight duration or flight distance.
- the object of the invention is to further develop a generic positioning system, in particular a drone positioning system, and an unmanned flight system equipped therewith in such a way that in particular, the receiver unit to be carried along is simpler and lighter overall and thereby enables a fast response time with regard to the control of an unmanned aircraft. Furthermore, a method for operating such a positioning system is to be proposed.
- the positioning system comprises a transmitter unit with at least one light source and a receiver unit which can be arranged on an unmanned aircraft and which is arranged around a vertical axis and with the at least one light source the transmission unit has corresponding optoelectronic detectors.
- the at least one light source can preferably be arranged at a base station or in its area.
- the optoelectronic detectors are arranged such that their orientation axes, which define the orientation of their respective detection area, face away from the vertical axis of the receiving unit.
- the receiving unit has a pyramid-shaped or truncated pyramid-shaped base body, which - or its outer surface - has four or at least three, in particular triangular or trapezoidal, side surfaces.
- the pyramid-shaped or truncated pyramid-shaped configuration of the base body means that its side surfaces are correspondingly inclined with respect to the vertical direction.
- at least one of the optoelectronic detectors is arranged on each of these side surfaces.
- the advantage resulting from this can be seen in an extremely simple and in this respect economical construction of the receiving unit, which manages with a minimum of optoelectronic detectors. Because of the orientations of the orientation axes of the optoelectronic detectors which differ from one another, in particular with respect to a horizontal, for example by 120 ° or 90 °, the structure of the receiving unit is essentially the same reduced. Because of the pyramid-shaped or truncated pyramid-shaped shape of the base body, there is a departure from the otherwise customary round design, with the result that the optoelectronic detectors are advantageously shielded from one another along the contact edges of the side faces.
- the side faces of the pyramid-shaped or truncated pyramid-shaped body represent usable areas as such on which the optoelectronic detectors can be positioned directly.
- the base body can be one made of solid material or an at least partially hollow configuration.
- the base body can also be composed only of its side surfaces, which can then be connected as edge-like elements, for example as wall-like elements.
- the side surfaces can have a continuous surface or openings.
- a grid-like shape is also conceivable.
- what is important in the context of the invention is their triangular or trapezoidal shape in combination with the inclination in order to serve the optoelectronic detectors as a suitable support.
- the hollow shape of the base body which is at least closed with respect to the side surfaces, pers has the advantage that the components required for control can be arranged in it in a protected manner, in particular against contact with water and / or foreign bodies.
- the individual orientation axes of the optoelectronic detectors and the vertical axis can each include an angle between them.
- the naturally inclined orientation of the side surfaces can hereby be used directly to arrange the optoelectronic detectors inclined with respect to the horizontal.
- the orientation axes of the optoelectronic detectors can each be inclined with respect to the vertical direction with the same value, which enables an extremely simple comparison with the control.
- the optoelectronic detectors can preferably be arranged flat on the side faces, so that their orientation axes extend perpendicular to the associated side face.
- the quasi-flat arrangement of the optoelectronic detectors on the side surfaces enables them to be exchanged quickly without the need for a necessary readjustment, since their alignment is previously known due to the known inclination of the side surfaces.
- the projection surface of the pyramid-shaped base body of the receiving unit describes a square.
- four side surfaces are necessary for this, two directly adjacent side surfaces each enclosing a right angle between them in the plane of the projection surface. If the base body has a closed base, what has been said above can apply accordingly, namely its square configuration.
- the vertical axis of the base body particularly preferably runs through a tip of the pyramid-shaped base body and through a center point of the projection surface of the pyramid-shaped base body located perpendicularly below the tip. Due to the symmetrical design of all four side surfaces, the optoelectronic detectors can be easily calibrated with the control.
- the optoelectronic detectors several configurations with regard to their detection possibilities are conceivable. According to the invention, it is provided that these can be set up to perceive the same frequency or the same frequency range of an optical signal that emanates from the at least one light source of the transmission unit. In this way it is initially ensured that the optoelectronic detectors could incorrectly react to a frequency or frequency range of an optical signal that is otherwise common in the environment.
- the frequency or frequency range therefore advantageously does not correspond to any normal frequencies or frequency ranges.
- the optoelectronic detectors which are oriented differently from one another, can be irradiated with a correspondingly different intensity by a light source of the transmitting unit, the differences in the intensity of the optical signal thus detected by the optoelectronic detectors allowing a conclusion to be drawn about the position of the light source relative to the receiving unit.
- the optoelectronic detectors can be set up to perceive different frequencies or different frequency ranges of an optical signal that emanate from the at least one light source of the transmission unit. This means that, for example, at least one of the optoelectronic detectors responds to a frequency or a frequency range to which the neighboring or all other optoelectronic detectors do not respond.
- the transmitter unit can have several light sources. These can be arranged on or in the area of the transmission unit. The light sources are set up to emit optical signals with mutually different frequencies or with mutually different frequency ranges.
- the plurality of light sources can emit optical signals with frequencies or frequency ranges that differ from one another, while each of the optoelectronic detectors can be set up to detect the frequencies or frequency ranges that are different from one another.
- This also makes it possible to draw conclusions about the orientation of the receiving unit in space relative to the light sources.
- the positioning system according to the invention which has now been described enables its simple and easy construction, in particular with regard to the receiving unit to be carried. Due to the low weight, the energy supply can also be smaller with regard to the battery to be used, which results in an increased payload and / or range for an unmanned flight system equipped with it, in particular a drone.
- the positioning system according to the invention requires only a low computing power, which also has a positive effect on energy consumption. In this way, the alignment and / or position determination can be carried out at a high frequency, which allows an extremely precise and rapid reaction.
- the closer the optoelectronic detectors to the light source (s) to the transmitter unit the greater the deviations caused by movements of the receiver unit, which is arranged on a drone, for example.
- a measurement with a decreasing distance between the transmitter and receiver unit becomes less accurate, since the measurement intervals become too slow for the required position corrections. This disadvantage is compensated for in an advantageous manner by the high measuring frequency of the positioning system according to the invention.
- the invention is directed to an unmanned flight system, especially a drone.
- the flight system comprises at least one unmanned aerial vehicle and a positioning system according to the invention as described above.
- the invention is directed to a method for operating an unmanned flight system equipped with a receiving unit of a positioning system according to the invention as described above.
- an optical signal is emitted by at least one light source of a transmitter unit of the positioning system.
- the transmission unit can be arranged, for example, on a base station, and its light source (s) can be arranged on the transmission unit or in the region of the transmission unit or the base station.
- the receiving unit includes optoelectronic detectors with orientation axes defining their respective detection area, which are arranged so as to face away from one another such that the position of the at least one light source of the transmitting unit is inferred based on the optical signal thereby perceived by the optoelectronic detectors with different intensities.
- the transmitting unit can have a plurality of spaced-apart light sources with mutually different ones
- the optoelectronic detectors can be used to detect frequencies or frequency ranges that differ from one another.
- the position of the unmanned aircraft relative to the transmission unit can then be inferred on the basis of the frequencies or frequency ranges which are different from one another.
- FIG. 1 shows a receiving unit of an inventive device
- FIG. 2 shows the receiving unit of Fig. 1 in a perspective representation.
- the receiving unit 1 shows a top view of a receiving unit 1, which together with a transmitting unit (not shown in detail) with at least one light source is part of a positioning system according to the invention.
- the receiving unit 1 has a pyramid-shaped base body 2, which in the present case has a total of four triangular side surfaces 3a-3d.
- a projection surface 4 of the pyramid-shaped base body 2 of the receiving unit 1 describes a square (see also FIG. 2), two of the lower side edges 5a-5d of the side surfaces 3a-3d located in the plane of the projection surface 4 being parallel to a longitudinal direction x and a transverse direction y extend.
- the side edges 5b, 5d run parallel to the longitudinal direction x, while the side edges 5a, 5c are located parallel to the transverse direction y.
- a vertical axis z of the base body 2 runs through its tip 6 and through a center point 7 of the projection surface 4 of the pyramid-shaped base body located perpendicularly below the tip 6
- Optoelectronic detectors 8a-8d are arranged around the vertical axis z of the base body 2, one of which is located on one side surface 3a-3d.
- the optoelectronic detector 8a is specific Side surface 3a
- the optoelectronic detector 8b on side surface 3b the optoelectronic detector 8c on side surface 3c
- the optoelectronic detector 8d on side surface 3d The optoelectronic detectors 8a-8d can be set up to sense the same frequency or the same frequency range of an optical signal from the at least one light source of the transmission unit (not shown here).
- the optoelectronic detectors 8a-8d can be set up to detect different frequencies or different frequency ranges of an optical signal from the at least one light source of the transmission unit, which is not shown here.
- the transmission unit not shown in detail here, can preferably have a plurality of light sources, in particular arranged at defined positions, which are set up to emit optical signals with mutually different frequencies or with mutually different frequency ranges.
- each of the optoelectronic detectors 8a-8d faces away from the vertical axis z with respect to its orientation axis Al-A4 defining the orientation of its detection area.
- orientation axes Al-A4 defining the orientation of its detection area.
- Only the optoelectronic detectors 8a, 8d located on the side surfaces 3a, 3d are shown together with their orientation axes A1, A4.
- the angle b is from 40 ° to 50 °, in particular 45 °.
- the orientation axes A1-A4 of the optoelectronic detectors 8a-8d each extend perpendicular to the associated side surface 3a-3d of the base body 2 of the receiving unit 1.
- the receiving unit 1 of the positioning system according to the invention which is not shown in more detail here, is intended for arrangement in or on an unmanned aircraft, also not shown, in particular in or on a drone.
- an optical signal is emitted by at least one light source of the transmission unit of the positioning system, which is not further visible, in particular can be arranged at a base station. Due to the arrangement of the optoelectronic detectors 8a-8d of the receiving unit 1 facing away from one another, the position of the at least one light source of the transmitting unit can be inferred on the basis of the optical signal thereby perceived by the optoelectronic detectors 8a-8d with different intensity.
- the transmitting unit (not shown in more detail) can also have a plurality of light sources spaced apart from one another have different frequencies or frequency ranges, with the optoelectronic detectors 8a-8d then perceiving different frequencies or frequency ranges, which, based on the different frequencies or frequency ranges, can be used to infer the position of the unmanned aircraft relative to the transmitter unit.
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Abstract
Ein Positioniersystem für ein unbemanntes Luftfahrzeug, insbesondere Drohne, umfasst eine Sendeeinheit mit wenigstens einer Lichtquelle, sowie eine Empfangseinheit (1) mit um eine Hochachse (z) herum angeordneten und mit der wenigstens einen Lichtquelle der Sendeeinheit korrespondierenden optoelektronischen Detektoren ( 8a-8d). Die Empfangseinheit (1) besitzt einen pyramidenförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Grundkörper (2), welcher vier oder wenigstens drei, insbesondere dreiecksförmige oder trapezförmige, Seitenflächen ( 3a-3d) aufweist, wobei an jeder dieser Seitenflächen ( 3a-3d) wenigstens einer der optoelektronischen Detektoren (8a-8d) angeordnet ist.
Description
POSITIONIERSYSTEM FÜR EIN UNBEMANNTES LUFTFAHRZEUG SOWIE
UNBEMANNTES FLUGSYSTEM UND VERFAHREN ZU DESSEN BETRIEB
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Positioniersystem für ein unbemanntes Luftfahrzeug, insbesondere Drohne, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein damit ausgestattetes unbemanntes Flugsystem nach den Merkmalen von Anspruch 9. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen unbemannten Flugsystems gemäß den Merkmalen von Anspruch 10.
STAND DER TECHNIK
Unbemannte Luftfahrzeuge (UAV = "unmanned, uninhabited vehicle" oder "unpiloted aerial vehicle") sind gemeinhin auch als Drohne bekannt . In ihrer Eigenschaft als mögliches Kontroll- bzw. Überwachungs- und/oder Transportgerät gewinnen sie auch im kommerziellen Einsatz zunehmend an Bedeutung. Hiervon abzugrenzen sind daher solche Luftfahrzeuge bzw. Flugmodelle, die ausschließlich der reinen Freizeitoder Luftsportaktivität zuzuordnen sind.
Die Steuerung unbemannter Luftfahrzeuge reicht von der rein manuellen, zumeist kabellosen Bedienung bis hin zum vollständig autarken Betrieb. So sind derartige Luftfahrzeuge beispielsweise durch die Nutzung von GPS (Global
Positioning System) mitunter in der Lage, ihren jeweiligen Startpunkt wieder oder ein vorgegebenes Ziel selbständig anzufliegen. Alternativ oder in Ergänzung hierzu können unbemannte Luftfahrzeuge auch wenigstens ein Kamerasystem beinhalten, deren Aufzeichnung beispielsweise in Echtzeit an eine das Luftfahrzeug zumindest temporär steuernde Person übermittelt wird (First Person View) .
Hinsichtlich des im Wesentlichen autarken Betriebs eines solchen unbemannten Luftfahrzeugs stellen das selbständige Anfliegen einer Basisstation und insbesondere die anschließende Landung auf dieser eine besondere Herausforderung dar. Bei der in Bezug auf größere Entfernungen vorteilhaften Nutzung von GPS reicht mit abnehmender Distanz zwischen dem unbemannten Luftfahrzeug und der Basisstation dessen Genauigkeit für eine positionsgenaue Landung in der Regel nicht aus. Hierfür einsetzbare Kamerasysteme sind aufgrund der notwendigen Rechenleistung für die erforderliche Bilderkennung mitunter zu träge, um insbesondere im Nahbereich und bei beispielweise unruhigen Wetterbedingungen ausreichend schnelle Reaktionen in Bezug auf die Steuerung des unbemannten Luftfahrzeugs zu liefern. Weniger Rechenleistung erfordernde Systeme setzen beispielsweise auf die Nutzung eines von der Basisstation ausgehenden optischen Leitstrahls, entlang dem das unbemannte Luftfahrzeug ab einer bestimmten Entfernung geführt wird.
Mit der DE 10 2014 003 417 Al ist hierzu ein Positioniersystem für ein unbemanntes Luftfahrzeug bekannt geworden, welches beim Annähern des unbemannten Luftfahrzeugs an die Basisstation dessen bis dahin aktive GPS-Steuerung ausschaltet und an der Basisstation angeordnete optische Signalgeber in Form von Impulssendern aktiviert. Das unbemannte Luftfahrzeug weist eine Empfangseinheit mit kreisförmig um deren Hochachse herum aneinandergereihten optischen Sen- soren auf, die zusammen mit einem Fluggleitsystem zur Steuerung des unbemannten Luftfahrzeugs verwendet werden. Dabei sind jeweils drei Reihen dieser Sensoren übereinander angeordnet, von denen lediglich die mittlere Reihe eine in Bezug auf den Erfassungsbereich der Sensoren horizontale Aus- richtung aufweist, während die Sensoren der obere Reihe nach oben und die der untere Reihe nach unten gegenüber der Horizontalen geneigt sind. Die optischen Signalgeber der Basisstation sind ebenfalls kreisförmig um diese herum angeordnet. Über die Steuerung ist so eine ungefähre Positio- nierung des im Schwebeflug befindlichen unbemannten Luftfahrzeugs über der Basisstation möglich. Ist eine Position oberhalb der Basisstation erreicht, dienen zusätzliche, an der Unterseite der Empfangseinheit angeordnete optische Sensoren dem Empfang von weiteren, im Zentrum der Basissta- tion angeordneten optischen Signalgebern. Treten diese miteinander in Kontakt, verbleibt das unbemannte Luftfahrzeug im Schwebeflug über der Basisstation und ein Seil eines im aufgewickelten Zustand mitgeführten Seilsystems wird abgewickelt. Dabei wird ein endseitig an diesem Seil angeordne- ter Eisenkern in eine konusförmige Vertiefung der Basissta-
tion hinein abgelassen und über einen aktivierten Elektromagneten darin fixiert. Durch das anschließende Aufwickeln des Seils wird das im Schwebeflug befindliche unbemannte Luftfahrzeug in Richtung Basisstation gezogen und mit die- ser gekoppelt.
Die umlaufende Anordnung der zahlreichen optischen Sensoren bedarf einer mitunter aufwendigen Auswertung der von den optischen Signalgebern der Basisstation ausgehenden Signale. Mit zunehmendem Durchmesser deren kreisförmigen Anordnung erhöht sich das jeweils mitzuführende Gewicht, wobei die zum Betrieb der Empfangseinheit erforderliche Energie beispielsweise zu einer ebenfalls das Gewicht erhöhenden Vergrößerung des mitzuführenden elektrischen Akkumulators und/oder einer entsprechend verkürzten Flugdauer bzw. Flugdistanz führen kann. Damit besteht weiterhin Bedarf an insgesamt schlankeren und einfacher aufgebauten Systemen mit gleichzeitig ausreichend Leistung zur autonomen Steuerung eines solchen Luftfahrzeugs. Angesichts dieser Beobachtungen bieten die bisher bekannten Positioniersysteme daher noch Raum für Verbesserungen.
DIE ERFINDUNG
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Positioniersystem, insbesondere Drohnen-Positioniersystem, sowie ein damit ausgestattetes unbemanntes Flugsystem dahingehend weiterzuentwickeln, dass
insbesondere dessen mitzuführende Empfangseinheit insgesamt einfacher sowie leichter aufgebaut ist und dabei eine schnelle Reaktionszeit im Hinblick auf die Steuerung eines unbemannten Luftfahrzeugs ermöglicht. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betrieb eines solchen PositionierSystems vorgeschlagen werden.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Positioniersystem für ein unbemanntes Luftfahrzeug, insbesondere Drohnen-Positioniersystem, mit den Merkmalen von Anspruch 1. Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein entsprechend ausgestattetes unbemanntes Flugsystem gemäß den Merkmalen von Anspruch 9 sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb nach den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Unteransprüche.
Die Erfindung geht dabei von dem grundlegenden Gedanken aus, die Anzahl der zur Erfassung optischer Signale notwendigen Sensoren in Form von optoelektronischen Detektoren weitestgehend zu reduzieren. Zudem sollen diese dabei derart baulich angeordnet und/oder gegeneinander abgeschirmt sein, dass eine einfache und schnelle Richtungsauswertung in Bezug auf erfasste Signale möglich ist. Hierzu umfasst das Positioniersystem eine Sendeeinheit mit wenigstens einer Lichtquelle sowie eine an einem unbemannten Luftfahrzeug anordenbare Empfangseinheit , welche um eine Hochachse herum angeordnete und mit der wenigstens einen Lichtquelle
der Sendeeinheit korrespondierende optoelektronische Detektoren besitzt . Die wenigstens eine Lichtquelle ist bevorzugt an einer Basisstation oder in deren Bereich anordenbar. Die optoelektronischen Detektoren sind dabei so angeordnet, dass deren die Ausrichtung ihres jeweiligen Erfassungsbereichs definierende Orientierungsachsen von der Hochachse der Empfangseinheit abgewandt sind.
Erfindungsgemäß besitzt die Empfangseinheit einen pyramidenförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Grundkörper, welcher - beziehungsweise dessen Mantelfläche - vier oder wenigstens drei, insbesondere dreiecksförmige oder trapezförmige Seitenflächen aufweist. Die pyramidenförmige oder pyramidenstumpfförmige Ausgestaltung des Grundkörpers meint hierbei, dass dessen Seitenflächen entsprechend geneigt gegenüber der Hochrichtung verlaufen. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass an jeder dieser Seitenflächen wenigstens einer der optoelektronischen Detektoren angeordnet ist .
Der sich hieraus ergebende Vorteil ist in einem überaus einfachen und insofern wirtschaftlichen Aufbau der Empfangseinheit zu sehen, welcher mit einem Minimum an optoelektronischen Detektoren auskommt . Aufgrund der voneinander, insbesondere in Bezug auf eine Horizontale beispielsweise um 120° oder 90° voneinander abweichenden Ausrichtungen der Orientierungsachsen der optoelektronischen Detektoren ist der Aufbau der Empfangseinheit auf das Wesentliche
reduziert. Wegen der pyramidenförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Form des Grundkörpers ergibt sich eine Abwendung von der sonst üblichen runden Ausgestaltung, wobei sich eine vorteilhafte Abschirmung der optoelektronischen Detektoren entlang der Berührungskanten der Seitenflächen voneinander ergibt. Auf diese Weise ist beispielsweise eine wesentlich einfachere Abgrenzung erfasster Helligkeitswerte von der wenigstens einen Lichtquelle der Sendeeinheit möglich, um eine schnelle Information über die jeweilige Aus- richtung der Empfangseinheit relativ zur Sendeeinheit zu erhalten. Insgesamt stellen die Seitenflächen des pyramidenförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Grundkörpers als solche nutzbare Areale dar, auf welchen die optoelektronischen Detektoren direkt positionierbar sind.
Bei dem Grundkörper kann es sich um einen solchen aus Vollmaterial oder eine zumindest teilweise hohle Ausgestaltung handeln. Selbstverständlich kann der Grundkörper sich auch nur aus seinen Seitenflächen zusammensetzen, die dann als beispielsweise wandartige Elemente an den Berührungs kanten verbunden sein können . In dieser Form können die Seitenflächen eine durchgehende Fläche oder auch Öffnungen aufweisen. Denkbar ist auch eine gitterförmige Gestalt . Unabhängig von der eigentlichen Ausgestaltung der Seitenflächen kommt es im Sinne der Erfindung hierbei primär auf deren dreiecks- oder trapezförmige Form in Kombination mit der Neigung an, um den optoelektronischen Detektoren als geeignete Auflage zu dienen. Die zumindest in Bezug auf die Seitenflächen geschlossene und dabei hohle Form des Grundkör-
pers hat den Vorteil, dass die zur Steuerung notwendigen Komponenten darin geschützt anordenbar sind, insbesondere gegenüber dem Kontakt mit Wasser und/oder Fremdkörpern.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des grundsätzlichen Erfindungsgedankens können die einzelnen Orientierungsachsen der optoelektronischen Detektoren und die Hochachse jeweils einen Winkel zwischen sich einschließen. Gegenüber einer beispielsweise zur Hochachse parallelen Ausrichtung der Orientierungsachsen der optoelektronischen Detektoren kann hierdurch die naturgemäß geneigte Ausrichtung der Seitenflächen direkt dazu genutzt werden, um die optoelektronischen Detektoren gegenüber der Horizontalen geneigt anzuordnen. In vorteilhafter Weise können die Orientierungsach- sen der optoelektronischen Detektoren mit jeweils demselben Wert gegenüber der Hochrichtung geneigt sein, was einen überaus einfachen Abgleich mit der Steuerung ermöglicht.
Bevorzugt können die optoelektronischen Detektoren flach auf den Seitenflächen angeordnet sein, so dass deren Orientierungsachsen sich senkrecht zur zugehörigen Seitenfläche erstrecken. Insbesondere die dabei quasi flache Anordnung der optoelektronischen Detektoren auf den Seitenflächen ermöglicht deren schnellen Austausch ohne die Notwendigkeit einer notwendigen Neujustierung, da deren Ausrichtung aufgrund der bekannten Neigung der Seitenflächen vorbekannt ist .
Im Rahmen der Erfindung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Projektionsfläche des pyramidenförmigen Grundkörpers der Empfangseinheit ein Quadrat beschreibt. Hierzu sind naturgemäß vier Seitenflächen notwendig, von denen jeweils zwei unmittelbar benachbarte Seitenflächen in Ebene der Projektionsfläche einen rechten Winkel zwischen sich einschließen. Sofern der Grundkörper einen geschlossenen Boden besitzt, kann für diesen das zuvor Gesagte entsprechend gelten, nämlich dessen quadratische Ausgestaltung. Besonders bevorzugt verläuft die Hochachse des Grundkörpers dabei durch eine Spitze des pyramidenförmigen Grundkörpers sowie durch einen lotrecht unterhalb der Spitze gelegenen Mittelpunkt der Projektionsfläche des pyramidenförmigen Grundkörpers. Aufgrund der so symmetrischen Ausgestaltung aller vier Seitenflächen ist eine einfache Kalibrierung der optoelektronischen Detektoren mit der Steuerung möglich.
Hinsichtlich der optoelektronischen Detektoren sind mehrere Ausgestaltungen in Bezug auf deren Erfassungsmöglichkeiten denkbar. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass diese zur Wahrnehmung derselben Frequenz oder desselben Frequenzbereichs eines optischen Signals eingerichtet sein können, welche/r von der wenigstens einen Lichtquelle der Sendeeinheit ausgeht. Auf diese Weise ist zunächst sichergestellt, dass die optoelektronischen Detektoren auf eine/n ansonsten in der Umgebung übliche/n Frequenz oder Frequenzbereich eines optischen Signals fälschlicherweise reagieren könnten. In vorteilhafter Weise entsprechen Frequenz oder Frequenzbereich daher keinen in der Umgebung zu erwartenden übli-
chen Frequenzen oder Frequenzbereichen. Somit können die voneinander unterschiedlich ausgerichteten optoelektronischen Detektoren entsprechend unterschiedlich stark von einer Lichtquelle der Sendeeinheit bestrahlt werden, wobei die Unterschiede in der Intensität des so erfassten optischen Signals durch die optoelektronischen Detektoren einen Rückschluss auf die Position der Lichtquelle relativ zur Empfangseinheit zulassen.
Alternativ hierzu ist vorgesehen, dass die optoelektronischen Detektoren zur Wahrnehmung voneinander unterschiedlicher Frequenzen oder voneinander unterschiedlicher Frequenzbereiche eines optischen Signals eingerichtet sein können, die von der wenigstens einen Lichtquelle der Sendeeinheit ausgehen. Dies meint, dass beispielsweise wenigstens einer der optoelektronischen Detektoren auf eine Frequenz oder einen Frequenzbereich reagiert, auf den der benachbarte oder aller weiteren optoelektronischen Detektoren nicht reagieren.
Hinsichtlich der Ausrichtung der optoelektronischen Detektoren können deren einzelne Orientierungsachsen und die Hochachse jeweils bevorzugt den gleichen oder auch voneinander unterschiedliche Winkel zwischen sich einschließen. Der Winkel kann dabei von 20° bis 70° betragen. Bevorzugt kann der Winkel von 35° bis 55° betragen. Besonders bevorzugt kann dieser von 40° bis 50° betragen, insbesondere 45°.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann die Sendeeinheit mehrere Lichtquellen besitzen. Diese können an oder im Bereich der Sendeeinheit angeordnet sein. Die Lichtquellen sind dazu eingerichtet, optische Signale mit voneinander unterschiedlichen Frequenzen oder mit voneinander unterschiedlichen Frequenzbereichen zu emittieren.
Insbesondere in Kombination mit der zuvor erwähnten möglichen Einrichtung der optoelektronischen Detektoren zur Wahrnehmung voneinander unterschiedlicher Frequenzen oder voneinander unterschiedlicher Frequenzbereiche eines optischen Signals ist es so möglich - sofern die Position der einzelnen Lichtquellen definiert und insofern bekannt ist - Rückschlüsse auf die Ausrichtung der Empfangseinheit im Raum relativ zu den Lichtquellen zu ziehen.
Selbstverständlich können auch nur die mehreren Lichtquellen optische Signale mit voneinander unterschiedlichen Fre- quenzen oder Frequenzbereichen aussenden, während jeder der optoelektronischen Detektoren zur Erfassung der voneinander unterschiedlichen Frequenzen oder Frequenzbereiche eingerichtet sein kann. Auch hierdurch sind Rückschlüsse auf die Ausrichtung der Empfangseinheit im Raum relativ zu den Lichtquellen möglich.
Das nunmehr beschriebene erfindungsgemäße PositionierSystem ermöglicht insbesondere in Bezug auf dessen mitzuführende Empfangseinheit dessen einfachen sowie leichten Aufbau. Aufgrund des geringen Gewichts kann auch die Energieversor- gung hinsichtlich des zu verwendenden Akkumulators kleiner ausfallen, wodurch sich eine erhöhte Zuladung und/oder Reichweite für ein damit ausgestattetes unbemanntes Flugsystem, insbesondere Drohne, ergibt.
Da im Gegensatz zu anderen, mit Bildverarbeitung einhergehenden Systemen lediglich Messwerte erfasst werden, bedarf das erfindungsgemäße Positioniersystem einer nur geringen Rechenleistung, was sich ebenfalls positiv auf den Energieverbrauch auswirkt. Auf diese Weise kann die Ausrichtungsund/oder Positionsbestimmung mit hoher Frequenz vorgenommen werden, was eine überaus genaue und schnelle Reaktion erlaubt. Naturgemäß sind die Abweichungen durch Bewegungen der beispielsweise an einer Drohne angeordneten Empfangseinheit umso stärker, je näher sich dessen optoelektronischen Detektoren an der/den Lichtquelle/n der Sendeeinheit befinden. Bei langsameren Systemen wird eine Messung mit abnehmender Distanz zwischen Sende- und Empfangseinheit ungenauer, da die Messintervalle zu langsam für die benötigten Positionskorrekturen werden. Dieser Nachteil wird durch die hohe Messfrequenz des erfindungsgemäßen Positioniersystems in vorteilhafter Weise ausgeglichen.
Weiterhin ist die Erfindung auf ein unbemanntes Flugsystem gerichtet, insbesondere Drohne. Das Flugsystem umfasst wenigstens ein unbemanntes Luftfahrzeug sowie ein wie zuvor beschriebenes, erfindungsgemäßes Positioniersystem.
Die sich hieraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Positioniersystem näher erläutert und gelten entsprechend. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird an dieser Stelle daher auf die vorheri- gen Ausführungen hierzu verwiesen.
Weiterhin ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb eines mit einer Empfangseinheit eines wie zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Positioniersystems ausgestatteten unbemannten Flugsystems gerichtet. Hierbei wird durch wenigstens eine Lichtquelle einer Sendeeinheit des Positioniersystems ein optisches Signal emittiert. Die Sendeeinheit kann dabei beispielsweise an einer Basisstation angeordnet sein, wobei dessen Lichtquelle/n an der Sendeeinheit oder im Bereich der Sendeeinheit beziehungsweise der Basisstation angeordnet sein kann/können. Weiterhin umfasst dabei die Empfangseinheit optoelektronische Detektoren mit deren jeweiligen Erfassungsbereich definierenden Orientierungsachsen, die derart voneinander abgewandt angeordnet sind, dass auf Basis des durch die optoelektronischen Detektoren hierdurch mit unterschiedlicher Intensität wahrgenommenen optischen Signals auf die Position der wenigstens eine Lichtquelle der Sendeeinheit rückgeschlossen wird.
Die sich hieraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Positioniersystem näher erläutert und gelten entsprechend. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird an dieser Stelle daher ebenfalls auf die vorherigen Ausführungen hierzu verwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Sendeeinheit mehrere voneinander beab- standete Lichtquellen mit voneinander unterschiedlicher
Frequenz oder Frequenzbereichen besitzen. Demgegenüber können durch die optoelektronischen Detektoren entsprechend voneinander unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzbereiche wahrgenommen werden. Auf Basis der voneinander unter- schiedlichen Frequenzen oder Frequenzbereiche kann dann auf die die Lage des unbemannten Luftfahrzeugs gegenüber der Sendeeinheit rückgeschlossen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand in den Figuren schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Empfangseinheit eines erfindungsgemäßen
Positioniersystems in einer Aufsicht sowie
Fig. 2 die Empfangseinheit aus Fig. 1 in einer perspektivischen Darstellungsform.
BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Fig. 1 zeigt eine Empfangseinheit 1 in einer Aufsicht, die zusammen mit einer nicht näher dargestellten Sendeeinheit mit wenigstens einer Lichtquelle Teil eines erfindungsgemäßen Positioniersystems ist. Erkennbar besitzt die Empfangseinheit 1 einen pyramidenförmigen Grundkörper 2, welcher vorliegend insgesamt vier dreiecksförmige Seitenflächen 3a-3d aufweist . Eine Projektionsfläche 4 des pyramidenförmigen Grundkörpers 2 der Empfangseinheit 1 beschreibt ein Quadrat (siehe auch Fig. 2), wobei jeweils zwei der in Ebene der Projektionsfläche 4 gelegenen unteren Seitenkanten 5a-5d der Seitenflächen 3a-3d sich parallel zu einer Längsrichtung x und eine Querrichtung y erstrecken . Konkret verlaufen dabei die Seitenkanten 5b, 5d parallel zur Längsrichtung x, während die Seitenkanten 5a, 5c parallel zur Querrichtung y gelegen sind. Eine Hochachse z der Grundkörpers 2 verläuft dabei durch dessen Spitze 6 sowie durch einen lotrecht unterhalb der Spitze 6 gelegenen Mittelpunkt 7 der Projektionsfläche 4 des pyramidenförmigen Grundkörpers
2 .
Um die Hochachse z des Grundkörpers 2 herum sind optoelektronische Detektoren 8a-8d angeordnet, von denen jeweils einer auf einer Seitenflächen 3a-3d gelegen ist. Konkret ist vorliegend der optoelektronische Detektor 8a auf
Seitenfläche 3a, der optoelektronische Detektor 8b auf Seitenfläche 3b, der optoelektronische Detektor 8c auf Seitenfläche 3c und der optoelektronische Detektor 8d auf Seitenfläche 3d angeordnet. Die optoelektronischen Detektoren 8a-8d können zur Wahrnehmung derselben Frequenz oder desselben Frequenzbereichs eines optischen Signals von der wenigstens einen Lichtquelle der hier nicht näher gezeigten Sendeeinheit eingerichtet sein. Alternativ hierzu können die optoelektronischen Detektoren 8a-8d zur Wahrnehmung voneinander unterschiedlicher Frequenzen oder voneinander unterschiedlicher Frequenzbereiche eines optischen Signals von der wenigstens einen Lichtquelle der hier nicht näher gezeigten Sendeeinheit eingerichtet sein. Bevorzugt kann die hier nicht näher gezeigte Sendeeinheit mehrere, insbe- sondere an definierte Positionen angeordnete Lichtquellen besitzen, welche dazu eingerichtet sind, optische Signale mit voneinander unterschiedlichen Frequenzen oder mit voneinander unterschiedlichen Frequenzbereichen zu emittieren.
Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die optoelektronischen Detektoren 8a-8d quasi flach auf den zugehörigen Seitenflächen 3a-3d des Grundkörpers 2 montiert sind. Dabei ist jeder der optoelektronischen Detektoren 8a-8d in Bezug auf seine die Ausrichtung seines Erfassungsbereichs definierende Orientierungsachse Al-A4 von der Hochachse z abgewandt. Aus Gründen einer besseren Übersichtlichkeit sind in Fig. 2 lediglich die auf den Seitenflächen 3a, 3d befindlichen optoelektronischen Detektoren 8a, 8d zusammen mit deren Orientierungsachsen Al, A4 gezeigt. Erkennbar schließen die hier
ersichtlichen Orientierungsachsen Al, A4 stellvertretend für die übrigen Orientierungsachsen A2, A3 - jeweils einen Winkel b mit demselben zwischen sich und der Hochachse z ein. Vorliegend beträgt der Winkel b von 40° bis 50°, insbesondere 45°. Dabei erstrecken sich die Orientierungsachsen A1-A4 der optoelektronischen Detektoren 8a-8d jeweils senkrecht zur zugehörigen Seitenfläche 3a-3d des Grundkörpers 2 der Empfangseinheit 1.
Die hier ersichtliche Empfangseinheit 1 des nicht näher dargestellten erfindungsgemäßen Positioniersystems ist zur Anordnung in oder an einem ebenfalls nicht näher gezeigten unbemannten Luftfahrzeug vorgesehen, insbesondere in oder an einer Drohne.
Im Betrieb wird durch wenigstens eine Lichtquelle der nicht weiter ersichtlichen, insbesondere an einer Basisstation anordenbaren Sendeeinheit des Positioniersystems ein optisches Signal emittiert. Aufgrund der voneinander abgewand- ten Anordnung der optoelektronische Detektoren 8a-8d der Empfangseinheit 1 kann auf Basis des durch die optoelektronischen Detektoren 8a-8d hierdurch mit unterschiedlicher Intensität wahrgenommenen optischen Signals auf die Position der wenigstens eine Lichtquelle der Sendeeinheit rückge- schlossen werden.
Selbstverständlich kann die nicht näher ersichtliche Sendeeinheit auch mehrere voneinander beabstandete Lichtquellen
mit voneinander unterschiedlicher Frequenz oder Frequenzbereichen besitzen, wobei dann durch die optoelektronischen Detektoren 8a-8d voneinander unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzbereiche wahrgenommen werden, wodurch auf Ba- sis der voneinander unterschiedlichen Frequenzen oder Frequenzbereiche auf die die Lage des unbemannten Luftfahrzeugs gegenüber der Sendeeinheit rückgeschlossen werden kann.
Bezuqszeichen :
1 Empfangseinheit
2 Grundkörper von 1
3a Seitenfläche von 2
3b Seitenfläche von 2
3c Seitenfläche von 2
3d Seitenfläche von 2
4 Projektionsfläche von 2
5a untere Seitenkante von 3a
5b untere Seitenkante von 3b
5c untere Seitenkante von 3c
5d untere Seitenkante von 3d
6 Spitze von 2
7 Mittelpunkt von 4
8a optoelektronischer Detektor an 3a
8b optoelektronischer Detektor an 3b
8c optoelektronischer Detektor an 3c
8d optoelektronischer Detektor an 3d
Al Orientierungsachse von 8a
A2 Orientierungsachse von 8b
A3 Orientierungsachse von 8c
A4 Orientierungsachse von 8d b Winkel
x Längsrichtung
y Querrichtung
z Hochrichtung
Claims
1. PositionierSystem für ein unbemanntes Luftfahrzeug, insbesondere Drohne, umfassend eine Sendeeinheit mit wenigstens einer Lichtquelle, sowie eine Empfangseinheit (1) mit um eine Hochachse (z) herum angeordneten und mit der wenigstens einen Lichtquelle der Sendeeinheit korrespondierenden optoelektronischen Detektoren (8a-8d) ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Empfangseinheit (1) einen pyramidenförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Grundkörper (2) besitzt, welcher vier oder wenigstens drei, insbesondere dreiecksförmige oder trapezförmige Seitenflächen (3a-3d) aufweist, wobei an jeder dieser Seitenflächen (3a-3d) wenigstens einer der optoelektronischen Detektoren (8a-8d) angeordnet ist.
2. PositionierSystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelnen Orientierungsachsen (A1-A4) der optoelektronischen Detektoren ( 8a-8d) und die Hochachse (z) jeweils einen Winkel (b) , insbesondere mit demselben Wert, zwischen sich einschließen.
3. PositionierSystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Orientierungsachsen (A1-A4) der optoelektronischen Detektoren (8a-8d) sich jeweils senkrecht zur zugehörigen Seitenfläche (3a-3d) des Grundkörpers (2) der Empfangseinheit (1) erstrecken.
4. Positioniersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Projektionsfläche (4) des pyramidenförmigen Grundkörpers (2) der Empfangseinheit (1) ein Quadrat beschreibt, wobei die Hochachse (z) durch eine Spitze (6) des pyramidenförmigen Grundkörpers (2) sowie durch einen lotrecht unterhalb der Spitze (6) gelegenen Mittelpunkt (7) der Projektionsfläche des pyramidenförmigen Grundkörpers (2) verläuft.
5. Positioniersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die optoelektronischen Detektoren (8a-8d) zur Wahrnehmung derselben Frequenz oder desselben Frequenzbereichs eines optischen Signals von der wenigstens einen Lichtquelle der Sendeeinheit eingerichtet sind.
6. PositionierSystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass die optoelektronischen Detektoren (8a-8d) zur Wahrnehmung voneinander unterschiedlicher Frequenzen oder voneinander unterschiedlicher Frequenzbereiche eines optischen Signals von der wenigstens einen Lichtquelle der Sendeeinheit eingerichtet sind.
7 . Positioniersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelnen Orientierungsachsen (A1-A4) der optoelektronischen Detektoren (8a-8d) und die Hochachse (z) jeweils den gleichen oder voneinander unterschiedliche Winkel (b) zwischen sich einschließen, wobei der Winkel (b) von 20° bis 70°, bevorzugt von 35° bis 55°, insbesondere von 40° bis 50°, beträgt.
8. Positioniersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sendeeinheit mehrere, insbesondere an definierte Positionen angeordnete Lichtquellen besitzt, wobei die Lichtquellen dazu eingerichtet sind, optische Signale mit voneinander unterschiedlichen Frequenzen oder mit voneinander unterschiedlichen Frequenzbereichen zu emittieren.
9. Unbemanntes Flugsystem, umfassend ein unbemanntes Luftfahrzeug, insbesondere Drohne, sowie ein Positioniersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Verfahren zum Betrieb eines mit einer Empfangseinheit (1) eines Positioniersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestatteten unbemannten Flugsystem, insbesondere nach Anspruch 9, bei dem durch wenigstens eine Lichtquelle einer insbesondere an einer Basisstation anordenbaren Sendeeinheit des Positioniersystems ein optisches Signal emittiert wird, wobei die Empfangseinheit (1) optoelektronische Detektoren (8a-8d) mit deren jeweiligem Erfassungsbereich definierenden Orientierungsachsen (A1-A4 ) umfasst, die derart voneinander abgewandt angeordnet sind, dass auf Basis des durch die optoelektronischen Detektoren (8a-8d) hierdurch mit unterschiedlicher Intensität wahrgenommenen optischen Signals auf die Position der wenigstens eine Lichtquelle der Sendeeinheit rückgeschlossen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sendeeinheit mehrere voneinander beabstandete Lichtquellen mit voneinander unterschiedlicher Frequenz oder Frequenzbereichen besitzt, wobei durch die
optoelektronischen Detektoren (8a-8d) voneinander unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzbereiche wahrgenommen werden, wodurch auf Basis der voneinander unterschiedlichen Frequenzen oder Frequenzbereiche auf die
die Lage des unbemannten Luftfahrzeugs gegenüber der Sendeeinheit rückgeschlossen wird.
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