Verfahren zur Rundum-Kollisionswarnung für Hubschrauber

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rundum-

Erkennen von Hindernissen innerhalb des Bewegungsraumes eines Hubschraubers unter Verwendung von, dem Hubschrauber zugeordneten, aktiven Radar- und/oder Laser- Sensoren und/oder Infrarot- oder Ultraschall-Sensoren.

Es ist bekannt, mit einem abtastenden Radar- oder Laserstrahl von einem Hubschrauber aus Hindernisse zu erkennen sowie Abstände zum Boden mit einem Radarhöhenmesser zu bestimmen. Hinderniserkennungssysteme, die auf Lasertechnik basieren, sind hinsichtlich der Erkennung kleiner Objekte befriedigend, insbesondere aber stark wetterabhängig bezüglich ihrer Detektionsschrit- te. Radarsysteme zeichnen sich umgekehrt durch eine große Wetterrobustheit, aber geringer Auflösung aus.

Hubschrauber sind regelmäßig der Gefahr der Kollision mit Objekten am Boden, insbesondere während Start, Landung und Schwebflug ausgesetzt. Diese Gefährdung verschärft sich in Wüstengegenden durch Staub- /Sandverwirbelungen = "Brown Out" oder in verschneiten

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Gegenden durch Schneeverwirbelungen = "White Out", wenn durch die Verwirbelungen die Außensicht sehr stark eingeschränkt ist.

Die bekannten Hinderniswarnsensoren auf Laser- und Radarbasis, die im Fluge vorausschauend in einem begrenzten Sichtfeld von typischerweise ca. 30° * 40° Objekte entlang der Flugbahn erfassen, verfügen über eine Sensorsichtweite von etwa 1000 m bei guter Sicht. Da sie auf jeweils einem Sensorprinzip basieren, weisen sie entweder Einschränkungen bezüglich der Allwetterfähigkeit oder der Detektionsfähigkeit kleiner Objekte, z. B. dünner Drähte von 5 - 10 mm auf.

Nach einem nicht zum Stand der Technik gehörenden Vorschlag werden zum Erkennen von Hindernissen einzelne auf unterschiedliche Wellenlängen für verschiedene Entfernungen (short-range und long-range) arbeitenden Radarsensoren vorbestimmten Abtastsektoren der den Hub- schrauber umgebenen Sphäre zugeordnet und diese in ein Gesamtsystem eingebunden, das zur kompletten Abdeckung der relevanten Hubschrauberumgebung führt, was mit einem einzigen abtastenden Radarstrahl nicht möglich ist. Damit wird die Sicherheit bei Start und Landung in schwierigem Gelände unter widrigen Sichtverhältnissen, das operationelle Spektrum durch Warnung vor Kollisionen während des Landeanfluges des Hubschraubers bei schlechter Sicht und das Situationsbewusstsein der Piloten bei komplizierten Manövern erhöht. Diese Radar- sensoren arbeiten als Sende- und Empfangseinheiten und liefern ihre mit einer Kennung versehenen Signale an eine Kennungs- und Auswerteeinheit, welche die im Cockpit installierten Anzeigeneinheiten, die sogenannten

Cockpit-Displays versorgt. Dies kann entweder direkt oder über einen zwischengeschalteten Symbolgenerator erfolgen.

Mithilfe eines solchen Radar-basiertern Rundum-

Warnsystems wird zwar eine singuläre Hinderniserkennung auch von überlandleitungen und Bergkanten möglich, jedoch erfordert das Erkennen kleiner Objekte, insbesondere etwa vorhandener überland-Stromleitungen ein senk- rechtes Auftreffen der Radarstrahlen auf diese. Dies gilt auch für die seitliche Abstandserkennung von größeren Steinen, Felsen, Bergkanten und ähnlichem.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Rundum-Kollisionswarnung unter Verwendung eines aktiven Systems für Hubschrauber zu schaffen, welches allwettertauglich ist und besser als bisher Hindernisse und Geländeformationen, insbesondere auch überlandleitungen und andere Hindernisse sowie Berg- kanten erkennen und dem Piloten anzeigen kann.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung geht von dem Prinzip aus, dass der definierte Bewegungsraum eines Hubschraubers frei von Re- flexionen der Sensorsignale von potenziellen Objekten sein muss, um Kollisionsfreiheit zu gewährleisten, d.h. also, solange in einem definierten Bewegungsraum ausgesandte Sensorsignale nicht von Objekten reflektiert

werden, ist die Bewegung innerhalb dieses Bewegungsraumes kollisionsfrei. Der Bewegungsraum des Hubschraubers definiert sich aus dem Rotordurchmesser, der maximalen Länge des Hubschraubers - Blattvorderkante Hauptrotor bis Blattkante Heckrotor - und einem darüber hinausgehenden Sicherheitskorridor.

Die notwendige Sensorreichweite bestimmt sich aus der geringen translatorischen Geschwindigkeit des Hub- schraubers von ca. 10 - 20 kts während Start/Landung/

Schwebeflug und den notwendigen Reaktionszeiten von Pilot (typisch: 3 sek.) Hubschrauber (typisch: 4 sek.) und Auswerteeinheit (2 sek. bis zur nächsten Detektion) zur sicheren Detektion (typisch also ca. 8 Sekunden für diese Komponenten) . Beispielhaft ist die Detek- tionsreichweite für eine horizontale Geschwindigkeit von 10 kts bestimmt.

Xπetektion = 5,14 m/s* ( 3+4+2 ) Sek . = 46,26 m

Damit ergibt sich bei einem Rotorradius von z. B. 11 m und einem gewählten Sicherheitsabstand von 10 m eine maximal erforderliche Sensorreichweite von:

äsmax = R-Rotor + ^Sicherheit + ^Detektion = H M + 1 0 JTl + 4 6 , 2 6 m = 67,26 m

Zur sicheren Erkennung solcher Hindernissen werden erfindungsgemäß jeweils zwei unterschiedliche, auf den Bewegungsraum abgestimmte Sensortypen gleichzeitig verwendet, nämlich Radar- und Laser- oder Radar- und Ultraschall-Sensoren oder andere Kombinationen von höchstauflösenden und wetterunabhängigen Sensoren, de-

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ren durch Reflexionen an Hindernissen verursachte Messsignale individuell nach Abtasträumen geordnet hinsichtlich Entfernung und Richtung gemeinsam auf die Position des Hubschraubers bezogen zu Reflexionsfeldern zusammengefasst und nach Bestimmen der Reflexionsdichte im Bewegungsraum des Hubschraubers in einer Datenbank fusioniert werden und nach Abgleich mit in der Datenbank gespeicherten Mustern mittels algorithmischer Auswertung als die Gesamtsituation des zu überwachenden Bewegungsraumes des Hubschraubers darstellendes konsolidiertes Gesamtbild im Cockpit des Hubschraubers zur Anzeige gebracht werden. Dadurch kann z.B. eine Annäherungswarnung oder Kollisionswarnung rechtzeitig erfolgen.

Die zur Anwendung gelangenden Radar-, Laser- und Ultraschall-Sensoren sind kleine, zuverlässig arbeitende Bauelemente - wie zum Beispiel aus der Abstandswarnung der Fahrzeugtechnik bekannt - und erlauben eine einfa- che und flexible Anbringung an der Hubschrauberstruktur .

Sind die Sensoren zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise aus einem Radar-Sensor und einem Laser-Sensor aufgebaut, detektieren diese Sensoren aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften Objekte unterschiedlich gut. Laser-Sensoren sind in der Lage, kleine und dünne Objekte wie z. B. Drähte leichter zu detektieren als Radar-Sensoren. Hingegen weist ein Ra- dar eine große Reichweitenfähigkeit auch unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen, wie Staub, Regen, Schnee und Nebel auf.

Beide Sensoren senden ihre Signale entsprechend den vorgegebenen Messpunkten aus, so dass über die Laufzeit die Entfernung sowie über die Ausrichtung des Sensors die Richtung der empfangenen Reflexion im jeweiligen Sensor ermittelt wird. Für jeden Sensortyp erfolgt gemäß seinen physikalischen Eigenarten eine individuelle Signalauswertung des empfangenen Reflexionsfeldes. Ebenfalls erfolgt jeweils für jeden Sensortyp eine Mustererkennung, so dass aus der Anordnung der Reflexio- nen sowie deren Entfernung auf definierte Objekte geschlossen werden kann. Die so von den Sensor-Paaren de- tektierten Objekte werden in einer Datenbank mit ihren absoluten Positionen abgelegt. Damit ergibt sich ein erstes Gesamtbild über die Situation, bei der jeweils beide Sensortypen die gleichen oder unterschiedliche Objekte erkannt haben können.

Eine weitere algorithmische Auswertung prüft im nächsten Schritt anhand der sensorspezifischen Positionie- rungsgenauigkeit und der Objektart, ob es sich um ein und dasselbe oder unterschiedliche, gegebenenfalls eng beieinander stehende Objekte handelt.

Aufgrund der oben beschriebenen Sensoreigenschaften können so ein Radar- und ein Laser-Sensor den gleichen Hochspannungsmasten erkennen, der mit Hilfe des Algorithmus auch nur als ein Mast identifiziert wird. Der Laser-Sensor ist jedoch zusätzlich in der Lage, auch die zugeordneten Leitungen zu erkennen, die ein Radar- Sensor nur unzureichend zuverlässig detektiert. Solange keine Reflexionsmuster auftreten, die auf potenziell gefährdende Objekte hindeuten, wird der Raum als sicher eingestuft. Dabei werden metallische Objekte, größere

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Steine und Hölzer als gefährdende Objekte betrachtet. Sind an einem Positionsbereich gleiche beziehungsweise ähnliche Reflexionen durch beide Sensoren erfasst, so wertet der Algorithmus dieses als ein Hindernis. Sind die Reflexionen unstrukturiert und in sehr geringer

Dichte, die als Schwellwert einstellbar ist, im Beobachtungsraum verteilt, wird das als kollisionsfreier Raum gewertet. Mit dem Auswertealgorithmus wird ein einheitliches "Gesamtbild" über die Objektsituation in der Datenbank abgelegt und kann anschließend in unterschiedlicher Form im Cockpit zur Anzeige gebracht werden.

Eine zweite Form der Kollisionswarnung basiert auf dem Ansatz, dass die erkannten und im Rahmen der Sensordatenfusion verifizierten Objekte als Hindernisse positiv identifiziert werden und als verbotene Wegpunkte der Besatzung zur Anzeige gebracht werden.

Die erfindungsgemäße Sensordatenfusion ergibt erstmals eine eindeutige und klare Situationsdarstellung. Bisherige Ansätze kennen lediglich die überlagerte optische, bildliche Darstellung von z. B. Video- und Infrarot- Bild, mit denen eine abstrakte Fusion, die auch die Verwendung nicht bildlicher Sensoren ermöglicht, nicht möglich ist.

Die Erfindung ist nachfolgend in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Im Einzelnen zeigen:

Fig. Ia, die in Bezug auf einen Hubschrauber dar- Ib gestellten Abtastsektoren des Verfahrens für ein Rundum-Warnsystem gemäß der Erfindung,

Fig. 2 den sicheren Bewegungsraum eines Beispiel- Hubschraubers gemäß Fig. 1,

Fig. 3a, die Anzeige eines Cockpit-Displays für das 3b Verfahren nach der Erfindung in starker Abstraktion für "akute Kollisionsgefahr vorn", und

Fig. 4 ein Funktionsschema des Rundum-Warnsystems gemäß der Erfindung.

Da die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Bauteile und -gruppen an sich bekannt sind, wurde auf deren Darstellung verzichtet. Die paarweise angeordneten Sensoren können schwenkbar oder, falls genügend große Antennenapparaturen vorhanden sind, auch fest am Hubschrauber angeordnet sein. Sie sind - wie die Figuren Ia und Ib zeigen - vorne, hinten und an den Seiten des Hubschraubers angeordnet und den Abtastbereichen A, B, C, D, und E zugeordnet. Jedem Installationspunkt sind also zwei unterschiedliche Sensorentypen, nämlich Radar- und Laser-Sensoren oder Radar- und Ultraschall-Sensoren zugeordnet. Unterhalb des Hubschraubers sind ebenfalls solche Sensorpaare in schwenkbarer oder fester Form angeordnet. Der Abdek- kungsbereich der Sensoren unterhalb des Hubschraubers erfasst die Vorderkante seines Rumpfes und die äußere Spitze seines Heckauslegers; vgl. Fig. Ia.

Die Messsignale der verschiedenen Sensoren werden hinsichtlich Entfernung und Richtung gemeinsam auf die Position des Hubschraubers mittels der nicht dargestellten Auswerteelektronik der Datenbank bezogen.

Durch den gemeinsamen Bezug auf ein Koordinatensystem können mit den unterschiedlichen Sensoren Objekte de- tektiert und die erfolgten Detektionen verifiziert werden. Detektieren beide Sensortypen jeweils unterschied- liehe Objekte, so werden diese Objekte auch als potenzielle Gefährdung mit erfasst. Ist das System aus einem Radar-Sensor und einem Laser-Sensor aufgebaut, detektieren diese Sensoren aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften Objekte unterschiedlich gut. Der Laser- Sensor ist in der Lage, kleine und dünne Objekte, wie z. B. Drähte, leichter zu detektieren als der Radar- Sensor. Hingegen weist der Radar-Sensor eine größere Reichweite, auch unter Staub, Regen und Nebel auf. Die Reichweiten sind, wie Fig. 2 zeigt, rund um den Hub- schrauber gewählt und betragen im vorliegenden Ausführungsbeispiel maximal 67,26 Meter, von denen 10 Meter den erforderlichen Sicherheitsabstand verkörpern.

Beide Sensortypen eines jeden Paares senden ihre Mess- pulse aus, so dass über die Laufzeit die Entfernung sowie über die Ausrichtung des Sensors die Richtung der empfangenen Reflexionen im jeweiligen Sensor mittels einer Auswerteelektronik ermittelt wird. Hieraus wird jeweils ein Reflexionsfeld sowie die Reflexionsdichte im Bewegungsraum des Luftfahrzeuges Lfz abgeleitet und werden diese Daten einer Datenbank zugeführt.

Für jeden Sensortyp erfolgt also gemäß seinen physikalischen Eigenarten eine individuelle Signalauswertung des empfangenen Reflexionsfeldes. Ebenfalls erfolgt jeweils für jeden Sensortyp eine Mustererkennung, so dass aus der Anordnung der Reflexionen sowie deren Entfernung auf definierte Objekte geschlossen werden kann.

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Die so von einem Sensor detektierten Objekte werden in der Datenbank mit ihren absoluten Positionen abgelegt. Damit ergibt sich ein erstes Gesamtbild über die Situation, bei der beide Sensortypen die gleichen oder un- terschiedliche Objekte erkannt haben können. Eine weitere algorithmische Auswertung prüft im nächsten Schritt anhand der sensorspezifischen Positionierungsgenauigkeit und der Objektart, ob es sich um ein und dasselbe oder unterschiedliche, gegebenenfalls eng bei- einander stehende Objekte handelt. Aufgrund der beschriebenen Sensoreigenschaften können so ein Radar- und ein Laser-Sensor den gleichen Hochspannungsmasten erkennen, der mit Hilfe des Algorithmus auch nur als ein Mast identifiziert wird. Der Laser-Sensor ist je- doch zusätzlich in der Lage, auch die Leitungen zu erkennen, die ein Radar nur unzureichend zuverlässig de- tektiert .

Mit dem Auswertealgorithmus wird so ein einheitliches "Gesamtbild" über die Objektsituation in einer Datenbank abgelegt und kann anschließend in unterschiedlicher Form im Cockpit zur Anzeige gebracht werden.

Die Darstellung der Kollisionswarnung oder Annäherungs- warnung im Cockpit zeigt die Figur 3a und b. Die Darstellung der Messergebnisse der Sensoren erfolgt nach Aufbereitung der von ihnen gelieferten Messsignale mit einer Gefahreneinstufung der ermittelten Entfernungen, vorzugsweise hier mit unterschiedlich gefärbten, hier schraffierten Bereichen bezeichnet mit 10, 11 und 12 sowie einem farblosen Kreisbogen 13 der Anzeige in Form von den Hubschrauber HS umgebenden Kreisbögen, für deren Mittelpunkt etwa der geometrische Mittelpunkt des

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Hubschraubers gewählt ist, und zwar innerhalb eines gemeinsamen Displays, das jeweils die Figuren 3a und 3b umfasst. Auf diese Weise wird das gesamte räumliche Gefährdungsbild des Hubschraubers für den Piloten über- sichtlich und sofort erkennbar dargestellt. Als Beispiel ist eine akute Kollisionsgefahr vorne erkennbar durch einen roten (rechts, dick schraffiert) , einen gelben (links, dick schraffiert) und einen grünen (links, dünn schraffiert) Kreisbogen, eine geringe KoI- lisionsgefahr ist rechts erkennbar durch einen farblosen, also nicht schraffierten, und je einen gelben und einen roten Kreisbogen, fehlende Kollisionsgefahr links erkennbar durch farblose Kreisbögen und geringe Kollisionsgefahr gegenüber dem Boden erkennbar durch zwei farblose und einen grünen Kreisbogen dargestellt.

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B e z u g s z e i c h e n l i s t e

10 "Gelber" (dick rechts schraffierter) Kreisbogen

11 "Roter" (dick links schraffierter) Kreisbogen

12 "Grüner" (dünn schraffierter) Kreisbogen

13 Farbloser Kreisbogen A Abtastbereich B Abtastbereich

C Abtastbereich

D Abtastbereich

E Abtastbereich

HS Hubschrauber