Verfahren zur Steuerung unbemannter Flugobjekte Beschreibung / Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung unbemannter Flugobjekte. Zum Schutz gegen externe Beschädigungen werden Gas- und Ölpi- pelines durch Trassengänger und/oder durch regelmäßige

Befliegung der Trasse mit Flugzeugen oder Hubschraubern beobachtet. Aus der Vogelperspektive lassen sich auch kleine Lecks durch etwaige geringe Bodenverfärbungen erkennen, die vom Boden aus betrachtet gar nicht auffallen würden. Ebenso erkennt man hier die Einrichtung von Baustellen und kann vor Ort nachfragen, ob man dort über die Verhältnisse informiert ist und eine Genehmigung vorliegt. Die Befliegung ist allerdings mit einem gewissen Risiko behaftet, so dass es immer wieder zu Unfällen kommt.

Besonders bedeutsam ist die Überwachung von Leitungen in sogenannten Bergsenkungsgebieten. Das sind Regionen wie beispielsweise das nördliche Ruhrgebiet, wo intensiver, bodenna- her Bergbau stattgefunden hat, und jetzt der Erdboden großflächig und langsam (manchmal aber auch ruckartig) nachgibt und sich absenkt. Dadurch wird eine im Boden liegende Pipeline natürlich mitgezogen, sie hängt in Folge durch und kann beschädigt werden. Bei anderen Bodenbewegungen kann es auch zu einer Stauchung der Leitung kommen. Manche Pipelinebetreiber beschäftigen daher Landvermesser, um solche kritischen Bereiche kontinuierlich zu überwachen. Wenn ein gewisses Maß überschritten ist, muss die Leitung aufgegraben und durchgeschnitten werden und dann ein entsprechendes Stück eingesetzt bzw. herausgeschnitten werden.

Bei der Überwachung von Gas- und Ölpipelines, aber auch von elektrische Leitungen aus der Luft kommen vermehrt unbemannte Flugobjekte, sogenannte Drohnen zum Einsatz. Diese sind kostengünstiger als der Einsatz eines Helikopters, kleiner und damit wendiger und bei einem Unfall werden üblicherweise keine Personen gefährdet.

Bei Vermessungs- und Inspektionsaufgaben mittels unbemannter Flugobjekte ist oft die Flughöhe in Bezug auf die erfasste Datenquantität und Datenqualität von entscheidender Bedeutung. Eine größere Flughöhe schafft Überblick und vermindert das Risiko von Kollisionen mit Hindernissen, was insbesondere für das automatische oder semi-automatische Fliegen der unbemannten Flugobjekte anhand von vorgegebenen Routen von Bedeutung ist. Andererseits profitieren manche der bei den Vermessungs- und Inspektionsaufgaben verwendeten Sensoren von einer möglichst kurzen Aufnahme- bzw. Messdistanz, da die Datenqualität mit der Entfernung abnimmt. Zudem ist gerade bei erhabenen Objekten zusätzlich zur Vogelperspektive („Nadir") eine Seitenan- sieht („oblique") - idealerweise in möglichst flachem Aufnahmewinkel - für Inspektionsaufgaben erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung von unbemannten Flugobjekten anzugeben, dass diesen Ansprüchen gerecht wird.

Erfindungsgemäß geschieht dies mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen .

Die Erfindung ermöglicht die automatisierte Überwachung und Vermessung von Anlagen durch autonom fliegende unbemannte Flugobj ekte .

Als besonders vorteilhafte Anwendungsfälle werden insbesondere angesehen: - die Überwachung und Vermessung eines Lagerbereiches und der darin befindlichen Objekte (Bauteile);

- die Überwachung von Starkstromleitungen;

- die Ortung von Leckagen in Gasleitungen;

- die Messung der Schichtdicke von Erdreich über unterirdisch verlegten Gas- oder Ölpipelines.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen beispielhaft:

Fig. 1 den Ablauf der Befliegung eines Lagerbereichs zur Erfassung von Baugruppen oder Bauteilen von Lagerbeständen. Fig. 2 den Ablauf der Befliegung einer Hochspannungsstromleitung .

Fig. 3 die Überblicksvermessung einer auf Ständern gelagerten oberirdischen Pipeline.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Lagerbereich BR mit unterschiedlichen Bauteilen Bl, B2, B3, B4. Dieser Lagerbereich kann sich im Freien befinden oder aber auch in einer geschlossenen Räumlichkeit wie z.B. einer Lagerhalle.

Insbesondere bei Großbauteilen Bl, B2, B3, B4 mit Abmessungen im Bereich von 5-10 m und darüber stößt die bodennahe Aufnahme und Vermessung schnell an ihre Grenzen, daher bringt in diesem Fall der Einsatz von unbemannten Flugobjekten mit ge- eigneter Sensorik besondere Vorteile.

Damit können die Bauteile Bl, B2, B3, B4 nicht nur lokalisiert und identifiziert, sondern auch hochgenau vermessen und hinsichtlich der Einhaltung von Fertigungstoleranzen über- prüft werden, was oftmals die Bedingung für eine spätere Verarbeitung darstellt. Dabei ist die Messgenauigkeit von der Flughöhe und insbesondere bei Bauteilen Bl, B2, B3, B4 mit komplexer Oberfläche auch vom Aufnahmewinkel und der Zahl der Messpunkte abhängig, sodass für gute Messergebnisse Aufnahmen bzw. Messvor- gänge von unterschiedlichen Positionen aus erforderlich sind.

Die dafür notwendigen Flugbewegungen erhöhen die Gefahr von Kollisionen mit Objekten in der Umgebung. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt nun die Steuerung eines zur Erfassung und Vermessung von Objekten in einem Lagerbereich eingesetzten unbemannten Flugobjektes in der Weise, dass vorab für den zu erfassenden und vermessenden Bereich eine weitgehend hindernisfreie Überflugszone UZ fest- gelegt wird, in welcher das unbemannte Flugobjekt UAV mit geeigneten Sensoren und Aufnahmetechniken Überblicksmessungen des Lagerbereichs BR durchführt.

Diese hindernisfreie Überflugszone UZ wird vorzugsweise in einer Höhe vorgesehen, in der auch die höchsten zu erwartenden Objekte Bl, B2, B3, B4 überflogen werden. Sofern der Lagerbereich überdacht ist, wird die Überflugszone UZ unterhalb des Daches bzw. unterhalb von am Dach montierten Elementen wie beispielsweise von Beleuchtungskörpern vorgesehen wer- den.

In dieser Zone erfolgt eine erste Befliegung und Überblicksvermessung des Lagerbereichs BR . Auf Basis der Ergebnisse der Überblicksmessungen wird daraufhin ein Überblicksmodell des Lagerbereichs mitsamt den darin befindlichen Objekten ermittelt.

Vorzugsweise handelt es sich dabei um ein dreidimensionales digitales Oberflächenmodell DOM, welches beispielsweise mittels photogrammetrischen Verfahren aus überlappenden Fotographien mit unterschiedlichen Positionen, oder aber durch Laservermessung (LiDAR) erstellt werden kann. Anhand dieses Überblicksmodells DOM wird eine Abfolge von Positionen für Detailmessungen und eine hindernisfreie Flugroute FR für ein unbemanntes Flugmodell UAV zur Einnahme der Abfolge von Positionen ermittelt. Diese Route wird der Steuerung des unbemannten Flugmodells UAV zugrunde gelegt.

Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn die Überblicksmessungen und die Detailmessungen von unterschiedlichen unbemannten Flugobjekten UAV durchgeführt werden. Dies insbesondere deswegen, weil dann die unbemannten Flugobjekte UAV mit unter- schiedlichen Sensoren ausgestattet sein können und ggf. Überblicks- und Detailmessungen mit unterschiedlichen Verfahren erfolgen können. Dabei wäre es auch denkbar, dass für die Detailmessungen kleine und wendige unbemannte Flugobjekte UAV zum Einsatz kommen, was besonders bei beengten Verhältnissen von Vorteil ist.

Darüber hinaus kann durch de parallelen Einsatz mehrerer unbemannter Flugobjekte UAV die Vermessungszeit verkürzt werden, was insbesondere bei Anwendungsfällen, bei denen die Bauteile Bl, B2, B3, B4 nur eine kurze Lagerzeit aufweisen, d.h. die Durchlaufzeit der Bauteile durch das Lager vergleichsweise gering ist, einen weiteren erheblichen Vorteil darstellt . Die Route FR kann mit bekannten Routingalgorithmen hinsichtlich unterschiedlicher Parameter wie beispielsweise des Zeitaufwandes, des Energieverbrauches oder aber des Kollisionsrisikos optimiert sein. Ein weiterer bevorzugter Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Fig. 2 erläutert. Die Darstellung nach Fig. 2 zeigt den Bereich um zwei als Freileitung ausgeführte elektrische Hochspannungsleitungen HL. Aufgrund ihrer Abmessungen von vielen Kilometern Länge und einer Höhe von etwa 60 Metern ist die Überwachung dieser Freileitungen eine Aufgabe, die üblicherweise mittels Hubschraubern durchgeführt wird. Durch den Einsatz unbemannter Flugobjekte UA können die Kosten der Befliegung erheblich gesenkt und damit die Frequenz der Überwachungsflüge gesteigert und die Qualität der Überwachung erhöht werden. Dabei wird gemäß der Erfindung das betreffende Gelände in hindernisfreier Höhe überflogen und beispielsweise fotografiert oder mittels LiDAR gescannt.

Neben Aufnahmen im sichtbaren Bereich des Lichtes sind auch Aufnahmen im nahen Infrarotbereich oder mit thermischem Infrarot für bestimmte Anwendungsfälle vorteilhaft. So eignet sich nahes Infrarot mit einer Wellenlänge von 780 nm bis 3 ym (Spektralbereiche IR-A und IR-B) besonders gut zur Detektion von Vegetation, da im nahen Infrarotbereich Chlorophyll eine um etwa den Faktor 6 höhere Reflektivität als im sichtbaren Spektrum aufweist. Zur Erkennung von Vegetation kann dieser Effekt ausgenutzt werden, indem eine Aufnahme im vorzugsweise roten Spektrum des sichtbaren Bereichs, und eine weitere Aufnahme im nahen Infrarot gemacht wird. Nutzobjekte haben so- wohl im sichtbaren als auch im nahen infraroten Bereich eine ungefähr gleiche Reflektivität, während Chlorophyll-haltige Vegetation im nahen Infrarot einen deutlich höheren Reflexionsgrad besitzt. Somit können z. B. auch grüne Nutzobjekte von ebenso grüner Vegetation unterschieden werden.

Thermisches Infrarot kann hingegen zur Ermittlung von Lecks in Pipelines herangezogen werden, bei denen Flüssigkeiten oder Gase mit im Vergleich zur Umgebung höherer Temperatur austreten .

Auch bei Hochspannungsleitungen kann die Temperatur der Leiterseile ein Hinweis auf einen Defekt sein und eine thermische Infrarotaufnahme daher wertvolle Daten liefern.

Aus den erfassten Daten und den beispielsweise mittels globa ler Satellitennavigationssysteme bestimmten Positionen des unbemannten Flugobjektes UA wird in der Folge ein dreidimensionales digitales Oberflächenmodell DOM als Überblicksmo dell erzeugt.

Als Alternative bzw. Ergänzung zu Satellitennavigationssyste men ist eine Positionsbestimmung mittels Magnetometer, Inertialmesssystemen (IMU) sowie barometrischer Sensoren denk bar .

Aus einer Analyse des Überblicksmodells werden sogenannte „Points of Interests" wie beispielsweise thermisch auffällig Punkte oder vorab festgelegte störungsanfällige Leitungselemente wie z.B. Isolatoren bestimmt und dazu zweckmäßige Posi tionen für Detailmessungen ermittelt.

Bei der Positionsauswahl sind die verwendete Messmethode und sich daraus ergebende Abstände und Winkel zum Messobjekt, aber auch Sicherheitsbestimmungen zu berücksichtigen, sodass einerseits die Qualität der ermittelten Daten ein Optimum er reicht und andererseits die Kollisionswahrscheinlichkeit bzw Gefährdung des unbemannten Flugobjektes UAV bei An- und Abflug der Position ein Minimum ist.

So sind bei einer Hochspannungsleitung in Betrieb auch die elektrischen Feldstärken und Magnetfelder zu berücksichtigen die ggf. die Messgeräte oder die Elektronik des unbemannten Flugobjektes UAV beeinflussen oder stören könnten. Darüber hinaus bildet auch die Vegetation in Form von Bäumen oder Sträuchern Hindernisse und Gefahrenquellen für die Befliegung . Aus diesen Daten wird mit bekannten Routingverfahren eine Abfolge von Positionen für Detailmessungen und eine hindernisfreie Flugroute FR für ein unbemanntes Flugmodell UAV zur Einnahme der Abfolge von Positionen ermittelt. Die Positionen für Detailmessungen können durch die Geometrie des Objektes bestimmt sein. So bietet sich bei Hochspannungsleitungen SL oder, wie in Fig. 3 dargestellt, bei auf Ständern oberirdisch gelagerten Pipelines PL ein Umfliegen der Leitungen in einer vertikalen Schleife an.

Es kann vorteilhaft sein, mehrere unbemannte Flugobjekte UAV mit unterschiedlichen Ausstattungen einzusetzen.

So können etwa für die Überblicksmessungen aus der weitgehend hindernisfreien Überflugszone UZ Flächenflugzeuge eingesetzt werden, welche hohe Geschwindigkeiten erreichen und große Distanzen zurücklegen können.

Die Detailmessungen können hingegen mit Rotorflugzeugen wie beispielsweise Multicoptern durchgeführt werden, die besonders wendig sind und aufgrund ihrer Fähigkeit zum Schwebeflug auch andere Messverfahren ermöglichen.

Dazu können die unbemannten Flugobjekte UAV auch mit unter- schiedlichen Messvorrichtungen bestückt sein.

Es kann auch zweckmäßig sein, den Einsatz mehrerer unbemannter Flugobjekte UAV aufeinander abzustimmen, sodass beispielsweise jedem unbemannten Flugobjekt UAV ein bestimmter Abschnitt einer Hochspannungsleitung SL zugewiesen wird. Diese Zuweisung kann auch dynamisch z.B. in Abhängigkeit von den Windverhältnissen und den jeweiligen Reichweiten der unbemannten Flugobjekte UAV erfolgen. Bezugszeichenliste

UAV unbemanntes Flugobjekt

UZ Überflugszone

DOM dreidimensionales digitales Oberflächen Modell

BER zu erfassender und vermessender Bereich

FR hindernisfreie Flugroute

Bl, B2, B3, B4, gelagerte Bauteile

SL Stromleitung

PL Pipeline