Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Landen eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines autonomen unbemannten Luftfahrzeugs, auf einem Wasserfahrzeug.

Das Landen eines Luftfahrzeugs auf ein Wasserfahrzeug ist durch die Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs gegenüber einer Landung an Land deutlich erschwert. Durch Wellengang kommt es zu Höhenänderungen der Landeplattform, auf welcher ein Luftfahrzeug landen soll. Ebenso kommt es auch durch Rollbewegungen und Nickbewegungen zu einer Änderung der Lage der Landeplattform. Hierdurch ist das Risiko einer Kollision bei der Landung eines Luftfahrzeugs auf ein Wasserfahrzeug erhöht.

Je kleiner ein Luftfahrzeug ist, desto anfälliger wird dieses Luftbewegungen aber auch für Kollisionen mit der Landeplattform, da es durch eine Kollision leichter beschädigt oder vom Kurs abgebracht werden kann. Zunehmend werden autonome unbemannte Luftfahrzeuge oder ferngesteuerte unbemannten Fahrzeuge eingesetzt. Diese sind vergleichsweise leicht insbesondere im Vergleich zu Hubschraubern.

Aus der US 9,429,953 B1 ist ein autonomes Landesverfahren mittels GPS bekannt.

Aus der US 2016/0122038 A1 ein Landesystem mit einer Landeplattform mit optischen Markern bekannt.

Aus der US 2014 0350754 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Landungsvektors zum Landen eines Luftfahrzeugs auf dem Deck eines Schiffes bekannt, wobei Wind und Schiffsbewegung erfasst werden.

Oftmals ist es jedoch notwendig, dass das Luftfahrzeug spezielle Voraussetzungen aufweisen muss, um kooperativ mit einem Wasserfahrzeug zusammen zu arbeiten. Beispielsweise müssen geeignete Datenübertragungen vorgesehen sein, was jedoch auf verschiedenen Wasserfahrzeugen verschiedene Standards sein können. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen ein Luftfahrzeug sich auf einem Wasserfahrzeug zu landen, wobei vorzugsweise jedes beliebige unmodifizierte Luftfahrzeug verwendet werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Landen eines Luftfahrzeugs auf einem Wasserfahrzeug. Es wird hierzu ein Wasserfahrzeug mit wenigstens einem ersten Sensor, einem zweiten Sensor, einem dritten Sensor und wenigstens einem ersten Bewegungssensor ausgewählt. Als erster Sensor, zweiter Sensor und dritter Sensor werden Sensoren zur Positionsbestimmung eines Luftfahrzeuges ausgewählt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Bestimmen der Eigenbewegung des Wasserfahrzeuges mit dem ersten Bewegungssensor,

b) Bestimmen der Position des Luftfahrzeugs mithilfe des ersten Sensors, des zweiten Sensors und des dritten Sensors,

c) Vorhersage der zukünftigen Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs,

d) Bestimmen einer Annährungsroute für das Luftfahrzeug unter Berücksichtigung der vorhergesagten zukünftigen Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs,

e) Übertragung der Daten der Annährungsroute an das Luftfahrzeug.

Kern des Verfahrens ist die Vorhersage der zukünftigen Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs in Schritt c). Diese Vorhersage umfasst insbesondere Rollbewegungen und Nickbewegungen. Durch diese Vorhersage verringert sich die Gefahr einer Kollision zwischen dem Wasserfahrzeug und dem Luftfahrzeug durch eine plötzliche Bewegung des Wasserfahrzeugs.

Die Daten der Annährungsroute in Schritt e) können konkrete Vektordaten umfassen. Es kann sich hierbei jedoch auch lediglich um den optimalen Zeitpunkt der Landung handeln. Auch kann damit die zeitliche Entwicklung des relativen Abstands vom Luftfahrzeug zum Wasserfahrzeug gemeint sein, insbesondere bei stillstehendem beziehungsweise schwebendem Luftfahrzeug.

Durch die Bestimmung der Position des Luftfahrzeugs in Bezug zum Wasserfahrzeug mithilfe dreier lokaler Sensoren ist eine deutlich höhere Genauigkeit erreichbar, insbesondere im Vergleich satellitenbasierten Ortungssystemen, zum Beispiel GPS.

Erfindungsgemäß wird für die Datenübertragung in Schritt e) wenigstens ein erster Datenübertragungskanal ausgewählt, wobei als erster Datenübertragungskanal ein optischer Datenübertragungskanal ausgewählt wird. Besonders bevorzugt werden für den ersten optischen Datenübertragungskanal die Positionslampen des Wasserfahrzeugs verwendet. Erfindungsgemäß sind hier die Positionslampen des Landeplatzes für das Luftfahrzeug auf dem Wasserfahrzeug gemeint, nicht die für die Schifffahrt weiteren Positionslampen, welche beispielsweise Steuerbord und Backbord kennzeichnen. Die Verwendung eines optischen Datenübertragungskanals erhöht die Sicherheit insbesondere bei einer militärischen Anwendung. Ein optischer Datenübertragungskanal ist nur in der direkten Sichtlinie erkennbar, dadurch praktisch nicht abhörbar und hat eine verringerte Detektionsreichweite gegenüber Funkübertragungen. Des Weiteren ist die Reichweite begrenzt was ebenfalls ein Abhören oder Detektieren erschwert. Weiter verfügen praktisch alle Luftfahrzeuge, welche auf Wasserfahrzeugen gelandet werden sollen über eine Kamera zur optischen Erfassung. Daher ist der optische Datenübertragungskanal regelmäßig ohne weitergehende Modifikation des Luftfahrzeuges möglich. Die Verwendung der Positionslampen ist vorteilhaft, da diese sowieso vorhanden sein müssen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird als Luftfahrzeug ein unbemanntes Luftfahrzeug ausgewählt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders bevorzugt bei unbemannten Luftfahrzeugen anwendbar, da hier das Problem der sicheren Landung auf einem Wasserfahrzeug wesentlich erschwert ist. Während ein Pilot auch durch Übung und Erfahrung sehr viele Einflussgrößen wahrnimmt und berücksichtigt und somit vorausahnt, wann ein Aufsetzen sicher möglich ist, ist dieses in einem unbemannten Wasserfahrzeug sehr schwer umsetzbar. Gleichzeitig weisen praktisch alle unbemannten Luftfahrzeuge, die auf Wasserfahrzeugen gelandet werden, ein Kamerasystem auf. Es ist somit ohne weiteres möglich, ein handelsübliches unbemanntes Luftfahrzeug über einen optischen Datenübertragungskanal anzusprechen. Eine umfangreiche Integration zusätzlicher Bauteile ist somit entbehrlich.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zur Vorhersage der künftigen Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs in Schritt c) neben der in Schritt a) bestimmten Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs wenigstens eine weitere Information verwendet, wobei die weitere Information ausgewählte ist aus der Gruppe umfassend Wetterdaten, insbesondere Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Wellenhöhe sowie Wellenabstand, Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs, Beschleunigung des Wasserfahrzeugs, Masse des Wasserfahrzeugs, Massenverteilung des Wasserfahrzeugs, Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der Wellenfront und der Fahrtrichtung des Wasserfahrzeugs.

Zwar kann aus der mithilfe des ersten Bewegungssensors bestimmten Bewegung eine Vorhersage für die künftige Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs erfolgen, eine deutliche Erhöhung ist jedoch möglich, sofern auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden kann, welche insbesondere die Wetterlage, insbesondere die Art der zu erwartenden Wellen, berücksichtigt. Daten wie Windgeschwindigkeit und Windrichtung sind vergleichsweise einfach bestimmbar und geben ein gutes Indiz für die Wellenbewegung ab. Genauere Daten zu Wellenhöhe oder Wellenabstand können zwar auch optisch und/oder aus dem Bewegungsdaten identifiziert werden, sind jedoch oftmals schwerer zu erfassen.

Auch die Wassertiefe, insbesondere die Veränderung der Wassertiefe, kann bei der Vorhersage der zukünftigen Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs berücksichtigt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt c) die zeitabhängige Neigung einer Fläche vorhergesagt, wobei die Fläche zur Aufnahme des Luftfahrzeugs ausgebildet ist. Die Fläche zur Aufnahme des Luftfahrzeugs, auch Landeplattform genannt, sollte beim Aufsetzen planparallel zum Luftfahrzeug sein. Daher ist neben der Höheninformation auch die Neigung sehr hilfreich. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in Schritt b) auch die Orientierung des Luftfahrzeugs relativ zum Wasserfahrzeug bestimmt. Um ein planparalleles Aufsetzen des Luftfahrzeugs auf dem Wasserfahrzeug zu ermöglichen wird besonders bevorzugt sowohl die Neigung der Fläche zur Aufnahme des Luftfahrzeugs vorhergesagt als auch die Orientierung des Luftfahrzeugs bestimmt. Insbesondere kann auch eine Kopplungssvorrichtung vorgesehen sein, welche eine Kopplung zwischen dem Luftfahrzeug und dem Wasserfahrzeug herstellt. Hierzu findet eine Kopplung zwischen dem Wasserfahrzeug und dem Luftfahrzeug statt, insbesondere während das Luftfahrzeug in der Luft ist. Über die Kopplungsvorrichtung kann das in der Luft befindliche Luftfahrzeug auf das Wasserfahrzeug gezogen werden. Das Bestimmen der Neigung der Fläche kann in dieser Ausführungsform die Ausrichtung der Kopplungssvorrichtung bestimmen und den optimalen Zeitpunkt zur Betätigung der Kopplungssvorrichtung umfassen, zu dem eine Kopplung zwischen den beiden Fahrzeugen sicher möglich ist. Die Kopplungsvorrichtung kann eine starre oder eine flexible Kopplung hersteilen. Beispiel für eine starre Kopplung ist eine Kopplung über einen Greifarm. Beispiel für eine flexible Kopplung ist eine Kopplung über ein Seil.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Ausführungsform der Erfindung wird für die Datenübertragung in Schritt e) ein zweiter Datenübertragungskanal ausgewählt, wobei der zweite Datenübertragungskanal auf Basis an sich bekannter Funkübertragungstechnik die Daten überträgt. Zwischen Schritt d) und e) wird dann einer der beiden Datenübertragungskanäle ausgewählt und die Daten über den ausgewählten Kanal übertragen. Alternativ oder zusätzlich wird in Schritt e) zwischen dem ersten Datenübertragungskanal und dem zweiten Datenübertragungskanal beispielsweise in Abhängigkeit von Datenübertragungsraten entschieden. Alternativ oder zusätzlich werden in Schritt e) Daten über den ersten Datenübertragungskanal und den zweiten Datenübertragungskanal übertragen. Diese Weiterbildung hat den einen Vorteil, dass in Situationen in denen ein Abhören oder Detektieren unkritischen ist ein schnellerer und sicherer Übertragungskanal zur Verfügung steht. Ein weiterer Vorteil ist in der Redundanz der Verbindung bei Ausfall eines Datenübertragungskanals zu sehen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Datenübertragung in Schritt e) Steuerdaten für das Luftfahrzeug. Insbesondere bei der Verwendung eines autonomen unbemannten Luftfahrzeugs kann die Steuerung vollständig vom Wasserfahrzeug übernommen werden. Diese Fernsteuerung hat den Vorteil, dass auf die üblicherweise deutlich größeren Rechnerressourcen des Wasserfahrzeugs zurückgegriffen werden kann.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden als erster Sensor, zweiter Sensor und dritter Sensor Ultraschallsensoren oder Radarsensoren ausgewählt. Ultraschallsensoren werden sehr verbreitet für die präzise Ortung im Nahbereich verwendet und sind somit gut verfügbar. Auch im Bereich der Radarsensoren sind für den Nahbereich und somit vergleichsweise hoher Auflösung bei gleichzeitig geringer Sendeleistung verfügbar.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kommunizieren der erste Sensor, der zweite Sensor, der dritte Sensor und der erste Bewegungssensor drahtlos mit dem Luftfahrzeug, das heißt diese übertragen ihre Daten direkt an das Luftfahrzeug und im Anschluss an die Übertragung erfolgt die Vorhersage der Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs und die Bestimmung der Annährungsroute innerhalb des Luftfahrzeugs.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein fünfter Sensor unterhalb der Position innerhalb des Wasserfahrzeugs angeordnet, auf welcher das Luftfahrzeug landen soll.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 Wasserfahrzeug bei ruhiger See

Fig. 2 Wasserfahrzeug bei Wellengang

Fig. 3 Landeplattform mit Luftfahrzeug von oben betrachtet

Fig. 4 Verfahrensablauf

Fig. 1 zeigt ein Wasserfahrzeug 10 und ein sich dem Wasserfahrzeug 10 näherndes Luftfahrzeug 20 bei ruhiger See. Kommt nun Wellengang dazu, so ist die Orientierung des Luftfahrzeugs 20 im Verhältnis zum Wasserfahrzeug 10 deutlich schwieriger, wie es in Fig. 2 zur Verdeutlichung nicht maßstabsgerecht dargestellt ist.

In Fig. 3 ist der Blick von oben auf das Heck des Wasserfahrzeugs 10 mit der Landeplattform 30 zu sehen. Das Luftfahrzeug 20 nähert sich der Landeplattform 30, um auf dem Wasserfahrzeug 10 zu landen. Das Wasserfahrzeug 10 weist einen Bewegungssensor 50 auf, welcher die Schiffsbewegungen erfasst. Um die Landeplattform 30 sind ein erster Sensor 40, ein zweiter Sensor 42, ein dritter Sensor 44 und ein vierter Sensor 46 angeordnet. Der erste Sensor 40, der zweite Sensor 42, der dritte Sensor 44 und der vierte Sensor 46 dienen der Erfassung der Position und Orientierung des Luftfahrzeugs 20 relativ zum Wasserfahrzeug 10 mit hoher örtliche Auflösung. Rund um die Landeplattform 30 sind Positionslampen 60, 62, 64, 66 angeordnet, mit denen beispielsweise einem Piloten eines Helikopters die Landeplattform 30 markiert wird. Diese Positionslampen 60, 62, 64, 66 können zum Beispiel in der Helligkeit modifiziert werden, um so optisch Daten auf das Luftfahrzeug 20, insbesondere ein unbemanntes Luftfahrzeug, zu übertragen.

Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Bestimmen der Eigenbewegung des Wasserfahrzeuges mit dem ersten Bewegungssensor,

b) Bestimmen der Position des Luftfahrzeugs mithilfe des ersten Sensors, des zweiten Sensors und des dritten Sensors,

c) Vorhersage der zukünftigen Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs,

d) Bestimmen einer Annährungsroute für das Luftfahrzeug unter Berücksichtigung der vorhergesagten zukünftigen Eigenbewegung des Wasserfahrzeugs,

e) Übertragung der Daten der Annährungsroute an das Luftfahrzeug.

Bezugszeichen

10 Wasserfahrzeug

20 Luftfahrzeug

30 Landeplattform

40 erster Sensor 42 zweiter Sensor 44 dritter Sensor

46 vierter Sensor

50 Bewegungssensor 60 Positionslampe

62 Positionslampe 64 Positionslampe 66 Positionslampe