DE102006033347A1 - Verfahren zur Ermittlung optimierter Bewegungsbahnen von Fahrzeugen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bewegungsbahnplanung, insbesondere für Flugkörper, mit folgenden Schritten:
a. Diskretisieren eines Gebietes zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt durch Festlegen eines ersten Stützstellen-Gitters,
b. Ermitteln einer hinsichtlich eines vorgegebenen Optimierungsparameters opimalen Polygon-Bahn unter den möglichen, in Start- und Zielpunkt endenden und auf dem ersten Stützstellen-Gitter verlaufenden Polygon-Bahnen,
c. Verfeinerung der in Schritt b) ermittelten optimalen Polygon-Bahn.
Erfindungsgemäß verläuft die Verfeinerung im Schritt c) in folgenden Schritten ab:
c1. Diskretisieren eines vorgebbaren Gebietes um die in Schritt b) ermittelte Bahn durch Festlegen eines feiner unterteilten zweiten Stützstellen-Gitters,
c2. Ermitteln einer hinsichtlich des in Schritt b) vorgegebenen Optimierungsparameters weiteren feineren Bahn unter den möglichen, in Start- und Zielpunkt endenden und auf dem zweiten Stützstellen-Gitter verlaufenden Bahnen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewegungsbahnplanung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei Geräten, die zwischen verschiedenen Orten (hier Start- und Zielpunkt genannt) bewegt werden sollen, wobei eine Vielzahl möglicher Wege in Frage kommen, stellt sich das Problem, wie der bezüglich wenigstens eines Optimierungsparameters, wie z. B. minimale Bewegungszeit oder Bedrohung, optimale Weg zuverlässig und ohne allzu großen Aufwand ermittelt werden kann. Insbesondere beim Tiefflug stellt sich das Problem welche Flugbahn einzuprogrammieren ist, da der gerade Flugweg mit laufendem Ansteigen und Abfallen des Flugkörpers entsprechend dem Höhenprofil der Landschaft längs dieses Weges in Bezug auf Flugdauer, Treibstoffverbrauch im Allgemeinen ungünstig ist.
  • Auch vom Gesichtspunkt der Sicherheit, d. h. möglichst guter Deckung des Flugkörpers während des Fluges, ist der gerade Flug in aller Regel ungünstig, da dieser Deckungsmöglichkeiten nicht berücksichtigt. So sollten größere Wasserflächen sowie Berggipfel wegen geringer Deckung möglichst gemieden werden. Unter Umständen muss während des Fluges die vorprogrammierte Flugbahn geändert werden, weil plötzlich ein Hindernis oder ein Gefährdungsbereich auftaucht. Eine erneute Bewegungsbahnoptimierung während des Flugs unter Berücksichtigung dieser neuen Umstände wäre dann sehr wünschenswert. Nicht nur bei unbemannten Flugkörpern, Roboterfahrzeugen oder dergleichen kann sich das Problem der Bewegungsbahnoptimierung stellen; auch bei bemannten Geräten, wie z. B. Flugzeugen, wäre es denk bar, für eine Selbststeuerung des Flugzeugs (Auto-Pilot) eine optimale Flugbahn zu ermitteln.
  • Aus der gattungsbildenden DE 39 27 299 C2 ist ein Verfahren zur Bewegungsbahnplanung bekannt, bei welchem ein zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt liegendes Gebiet durch Festlegen einer Reihe von Stützstellen diskretisiert wird. Bei dem bekannten Verfahren wird unter den möglichen, in Start- und Zielpunkt endenden und über die Stützstellen verlaufenden Polygon-Bahnen die hinsichtlich eines Optimierungsparameters optimale Polygon-Bahn ermittelt.
  • Die Genauigkeit, mit welcher die optimale Polygon-Bahn bestimmt werden kann, hängt von der Auflösung des Stützstellen-Gitters ab. Jedoch steigt die zur Berechnung der optimalen Polygon-Bahn erforderliche Zeit mit zunehmender Auflösung des Stützstellen-Gitters stark an, da das gesamte erreichbare Stützstellen-Gitter überprüft werden muss. Die Bewegungsbahnplanung eines Flugkörpers muss während des Flugs in Echtzeit erfolgen. Durch diese Echtzeit-Forderung ist die mögliche Auflösung des Stützstellen-Gitters begrenzt. In komplexen Situationen kann es sogar vorkommen, dass die mit der Echtzeit-Forderung verträgliche Auflösung nicht mehr den fliegerischen Anforderungen des Geländes genügt.
  • Dieses Problem löst das aus DE 39 27 299 C2 bekannte Verfahren durch die Anwendung einer kontinuierlichen Optimierungsrechnung (z.B. Ritzsche Verfahren) auf die auf dem Stützstellen-Gitter ermittelte Polygon-Bahn.
  • Nachteilig hierbei ist, dass durch die kontinuierliche Optimierungsrechnung Ungenauigkeiten bei der Bewegungsbahnplanung aufgrund eines zu grob gewählten Stützstellen-Gitters nicht mehr ausgeglichen werden können. Weiterhin sind hier komplexe Bewegungsgleichungen schwer modellierbar und es besteht das Risiko, dass man in ein Neben-Minimum konvergiert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches eine gegenüber dem Stand der Technik genauere und robuste Bewegungsbahn liefert.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist eine hinsichtlich eines vorgegebenen Optimierungsparameters ermittelte erste Polygon-Bahn unter den möglichen, in Start- und Zielpunkt endenden und auf dem ersten Stützstellen-Gitter verlaufenden Polygon-Bahnen (Schritt a) und b)). Gemäß der Erfindung wird in einem Schritt c1) ein vorgebbares Gebiet um die im vorangegangenen Schritt b) ermittelte Polynom-Bahn diskretisiert. Diese Bahn, welche auch als optimale Bahn bezeichnet werden kann, kann z.B. bereits eine geglättete Flugkurve sein. Unter dem Begriff "Bahn" kann also eine "Polynom-Bahn" oder eine "Flugbahn" verstanden werden.
  • Die Festlegung des feineren zweiten Stützstellen-Gitters kann z.B. auf dem ersten Stützstellen-Gitter basieren, d.h. alle Gitterpunkte im ersten Stützstellen-Gitter sind auch Gitterpunkte im zweiten Stützstellen-Gitter. Dabei kann zur Festlegung des Gebietes in welchem in Bezug auf die Gitterpunkte der ersten Polynom-Bahn alle dazu benachbarten Gitterpunkte n-ten Grades liegen, wobei n eine Zahl ist aus der Menge aller positiven ganzen Zahlen.
  • Selbstverständlich kann das zweite Stützstellen-Gitter auch ohne Berücksichtigung des ersten Stützstellen-Gitters gewählt werden. Dabei kann zur Festlegung des Gebietes, in welchem das feinere zweite Stützstellen-Gitter definiert werden soll, z.B. ein Gebiet herangezogen werden, welches sich durch einen vorgebbaren senkrechten Abstand zu einem Punkt auf der ersten Polynom-Bahn ergibt. Für den einfachen dreidimensionalen Fall, liegt das Gebiet für das ein feineres zweites Stützstellen-Gitter definiert werden soll innerhalb eines Schlauchs mit einem vorgebbaren Radius, wobei die erste Polygon-Bahn die Mittenachse des Schlauchs definiert.
  • Das Verhältnis der Größe eines direkten Nachbarn (Nachbarn 1. Grades) eines Gitterpunktes im ersten Stützstellen-Gitter gebildeten Zelle zu der Größe eines direkten Nachbarn (Nachbarn 1. Grades) eines Gitterpunktes im zweiten Stützstellen-Gitter gebildeten Zelle sollte mindestens 2 betragen. Unter der Größe einer Zelle wird, je nach Dimension des zugrunde liegenden Raums, das Volumen oder die Fläche der Zelle verstanden. Der zugrunde liegende Raum kann hierbei eine Dimension von größer als 2 aufweisen.
  • Auf diesem zweiten, gegenüber dem ersten Stützstellen-Gitter feineren Stützstellen-Gitter wird in einem Schritt c2) hinsichtlich des in Schritt b) vorgegebenen Optimierungsparameters eine weitere Polygon-Bahn unter den möglichen, in Start- und Ziel- Punkt endenden und auf dem zweiten Stützstellen-Gitter verlaufenden Polygon-Bahnen ermittelt. Der in Schritt b) vorgegebene Optimierungsparameter kann zweckmäßig modifiziert werden. Die im Schritt b) ermittelte Polygon-Bahn wird bei der in Schritt c2) ermittelten weiteren Polygon-Bahn nicht notwendigerweise berücksichtigt.
  • Bei der Ermittlung der weiteren Polygon-Bahn im Schritt c2) hat die im Schritt b) ermittelte Polygon-Bahn nicht mehr Einfluss, als dass diese Bahn möglicherweise eine von vielen Bahnen ist aus welcher die weitere Polygon-Bahn bestimmt wird.
  • Vorteilhaft erfolgt in einem weiteren Schritt eine Verfeinerung der in Schritt c2) ermittelten optimalen Polygon-Bahn in einer kontinuierlichen Optimierungsrechnung oder Filterung/Glättung unter Berücksichtigung von Fliegbarkeitsbedingungen, insbesondere maximale Beschleunigung oder minimaler Flugkurvenradius.
  • Die im Schritt b) und/oder Schritt c2) ermittelte optimale Polygon-Bahnen kann in einer ersten Ausführung aus Polygon-Bahnen ermittelt werden, welche vom Start- zum Zielpunkt verlaufen und nach dem Dijkstra-Algorithmus bzw. Dynamisches Programmieren berechnet wurden.
  • Die im Schritt b) und/oder Schritt c2) ermittelte(n) optimale(n) Polygon-Bahn(en) kann/können in einer zweiten Ausführung aus Polygon-Bahnen ermittelt werden, welche vom Start- zum Zielpunkt verlaufen und nach dem Dual-Dijkstra-Algorithmus berechnet wurden.
  • Der Dijkstra- und Dual-Dijkstra-Algorithmus sind bekannt und in EP 1 335 315 A2 ausführlich beschrieben.
  • Die Filterung/Glättung kann z.B. durch einen kausalen oder nichtkausalen Tiefpassfilter n-ter Ordnung erfolgen. n entspricht hierbei z.B. 2 wenn Beschleunigungen gefiltert werden sollen oder 3 wenn die Ableitung der Beschleunigung (z.B. Fahrzeuglage) gefiltert werden soll.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Bewegungsbahnplanung, insbesondere für Flugkörper, mit folgenden Schritten: a. Diskretisieren eines Gebietes zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt durch Festlegen eines ersten Stützstellen-Gitters, b. Ermitteln einer hinsichtlich eines vorgegebenen Optimierungsparameters optimalen Polygon-Bahn unter den möglichen, in Start- und Zielpunkt endenden und auf dem ersten Stützstellen-Gitter verlaufenden Polygon-Bahnen, c. Verfeinerung der in Schritt b) ermittelten optimalen Polygon-Bahn, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfeinerung im Schritt c) in folgenden Schritten abläuft: c1. Diskretisieren eines vorgebbaren Gebietes um die in Schritt b) ermittelte Bahn durch Festlegen eines feiner unterteilten zweiten Stützstellen-Gitters, c2. Ermitteln eines hinsichtlich des in Schritt b) vorgegebenen Optimierungsparameters eine weitere feinere Bahn unter den möglichen, in Start- und Zielpunkt endenden und auf dem zweiten Stützstellen-Gitter verlaufenden Bahnen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt c2) ermittelte weitere Bahn in einer kontinuierlichen Optimierungsrechnung oder Filterung/Glättung unter Berücksichtigung von Fliegbarkeitsbedingungen, insbesondere maximale Beschleunigung, minimaler Flugkurvenradius oder deren Ableitung verfeinert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Größe einer aus direkten Nachbarn eines Gitterpunktes im ersten Stützstellen-Gitter gebildeten Zelle zu der Größe einer aus direkten Nachbarn eines Gitterpunktes im zweiten Stützstellen-Gitter gebildeten Zelle mindestens 2 beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) und/oder Schritt c2) die jeweilige optimale Bahn aus Bahnen ermittelt wird, welche vom Start- zum Zielpunkt verlaufen und nach dem Dijkstra-Algorithmus berechnet wurden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) und/oder Schritt c2) die jeweilige optimale Bahn aus Bahnen ermittelt wird, welche vom Start- zum Zielpunkt verlaufen und nach dem Dual-Dijkstra-Algorithmus berechnet wurden.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) und/oder c2) mehrere wahlweise gewichtete Optimierungsparameter, insbesondere minimale Gefährdung und/oder Schnelligkeit oder minimale Gefährdung und/oder Treibstoffverbrauch berücksichtigt werden.
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