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Die
Erfindung betrifft ein fernsteuerbares Fahrzeug mit wenigstens einem über Steuerdaten steuerbaren
Aktor, einem Empfänger
zum Empfang von Steuerdaten enthaltenden Funksignalen und einem
Bordrechner zum Generieren und/oder Manipulieren von Steuerdaten.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Steuern eines fernsteuerbaren Fahrzeuges.
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Fernsteuerbare
Fahrzeuge, insbesondere Modellfahrzeuge (Modellflugzeuge, Modellautos, Modellboote),
werden heutzutage sowohl im Hobbybereich als auch professionell
eingesetzt.
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Bei
einfachen fernsteuerbaren Modellfahrzeugen wird ein Funksignal über eine
Funkstrecke an einen in dem Modellfahrzeug integrierten Empfänger gesendet.
Der Empfänger
decodiert das Funksignal und extrahiert Steuerdaten für einen
als Aktor dienenden Servomotor. Über
den Servomotor lassen sich Fahreigenschaften des Modellfahrzeuges
beeinflussen, etwa die Höhe
eines Modellflugzeugs über eine
Ver änderung
der Stellung des Höhenruders.
Die Ansteuerung der Servomotoren erfolgt üblicherweise über pulsbreitenmodulierte
Signale.
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Bei
vielen Nutzern fernsteuerbarer Modellfahrzeuge besteht der Wunsch,
ihre Fahrzeuge mit zusätzlichen
Fähigkeiten
auszustatten. Einer dieser Wünsche
besteht darin, die Modellfahrzeuge mit einem automatisierten Verhalten
auszustatten, beispielsweise ein Modellflugzeug mit einem Autopiloten
zu versehen, der das Modellfahrzeug bestimmte Flugfiguren ausführen lässt. Im
professionellen Einsatz besteht ein Interesse daran, Modellfahrzeuge mit
automatisierten Mess-, Steuer- und Regelungsaufgaben auszustatten,
beispielsweise um unter fest vorgegebenen Bedingungen bestimmte
Messungen durchzuführen.
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Hierzu
sind fernsteuerbare Modellfahrzeuge entwickelt worden, die mit einem
Bordrechner ausgestattet sind, über
den sich Servomotoren für
die Beeinflussung von Fahreigenschaften oder für andere Aufgaben automatisch
anzusteuern lassen.
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Probleme
treten bei den herkömmlichen fernsteuerbaren,
mit einem Bordrechner ausgestatteten Modellfahrzeugen dann auf,
wenn der Bordrechner nicht einwandfrei funktioniert oder vollständig ausfällt, also
eine Funktionsstörung
aufweist. Bei den bekannten fernsteuerbaren Modellfahrzeugen ist
es bei einer solchen Störung
nicht möglich,
die Kontrolle über
das fernsteuerbare Modellfahrzeug zu übernehmen, etwa über die
Fernsteuerung. Im schlimmsten Fall führt dies zu einem vollständigen Verlust
des fernsteuerbaren Modellfahrzeugs, wodurch ein erheblicher finanzieller
Schaden verursacht wird.
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Von
dieser Problemstellung ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein fernsteuerbares Fahrzeug bereitzustellen, das auch
bei einer Funktionsstörung
des Bordrechners kontrollierbar ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes fernsteuerbares Fahrzeug
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine Fail-Safe-Einheit mit einem Prozessor und einer von dem
Prozessor gesteuerten Umschalteinheit vorgesehen ist, die zum Umschalten zwischen
wenigstens einem ersten und einem zweiten Übertragungskanal für die von
dem Empfänger empfangenen
Steuerdaten eingerichtet ist, dass der erste Übertragungskanal von dem Empfänger direkt zu
dem wenigsten einen Aktor und der zweite Übertragungskanal von dem Prozessor
zu dem wenigstens einen Aktor führt,
dass der Prozessor mit einem Bordrechner zum Austausch von Steuerdaten
verbunden und mit dem wenigstens einen Aktor zum Übertragen
von Steuerdaten verbindbar ist und dass die Fail-Safe-Einheit eingerichtet
ist, eine Funktionsstörung
des Bordrechners zu detektieren und in diesem Fall wahlweise auf
den ersten Übertragungskanal
oder den zweiten Übertragungskanal
zu schalten und die von dem Empfänger
zu dem Prozessor übertragenen
Steuerdaten bei Schalten auf den zweiten Übertragungskanal unter Umgehung
des Bordrechners an den wenigstens einen Aktor zu übertragen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen fernsteuerbaren
Fahrzeug kann es sich beispielsweise um Modellfahrzeuge (Modellflugzeuge,
Modellboote oder Modellautos). Die Erfindung ist jedoch nicht auf
Modellfahrzeuge beschränkt.
Sie lässt
sich ganz allgemein auf unbemannte fernsteuerbare Fahrzeuge, wie
zum Beispiel UAV (Unmanned Aerial Vehicle) und Drohnen sowie auf
fernsteuerbare Roboter und Kräne
anwenden. Die Erfindung wird auch nicht durch das Gewicht des fernsteuerbaren
Fahrzeugs beschränkt.
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Das
erfindungsgemäße fernsteuerbare
Fahrzeug weist einen ersten Übertragungskanal
auf, der von dem Empfänger
direkt zu dem wenigstens einen Aktor, beispielsweise einen Servomotor
oder Drehzahlregler, führt. „Direkt" meint hierbei, dass
die Steuerdaten von dem Empfänger
ohne vorherige Übertragung
an den Prozessor oder den Bordrechner an den Aktor übertragen
werden, um diesen anzusteuern. Eine Manipulation dieser Steuerdaten
erfolgt nicht. Das fernsteuerbare Fahrzeug wird in diesem Fall manuell
von dem Nutzer gesteuert.
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Der
zweite Übertragungskanal
führt von
dem Prozessor der Fail-Safe-Einheit zu dem wenigstens einen Aktor.
Die Steuerdaten werden von dem Prozessor unter Umgehung des Bordrechners
an den wenigstens einen Aktor übertragen
werden. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass die Steuerdaten durch den
Prozessor manipuliert werden.
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Es
ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen fernsteuerbaren Fahrzeugs,
dass es bei einer Funktionsstörung
des Bordrechners durch den Prozessor oder den Nutzer kontrollierbar
bleibt. Der Vorteil zeigt sich besonders bei einem fernsteuerbaren
Modellflugzeug oder einer fernsteuerbaren Drohne, die bei Ausfall
des von dem Bordrechner realisierten Autopiloten außer Kontrolle
gerät und
regelmäßig unkontrolliert
abstürzt.
Da diese Flugkörper
mit hohen Anschaffungskosten verbunden sind, entsteht bei ihrem Verlust
regelmäßig ein
großer
finanzieller Schaden.
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Der
Prozessor der Fail-Safe-Einheit ist derart eingerichtet, dass sich
mit ihm eine Funktionsstörung des
Bordrechners detektieren lässt.
Wird eine Funktionsstörung
des Bordrechners detektiert, ist der Prozessor in der Lage, die
Umschalteinheit so zu steuern, dass wahlweise auf den ersten Übertragungskanal
oder den zweiten Übertragungskanal
geschaltet wird. Auf einen Übertragungskanal
zu schalten umfasst sowohl das tatsächliche Umschalten auf einen anderen Übertragungskanal
als auch das Beibehalten des ausgewählten Übertragungskanal. Wird im Falle
einer Funktionsstörung
des Bordrechners auf den ersten Übertragungskanal
geschaltet, werden die Steuerdaten von dem Empfänger direkt zu dem wenigstens
einen Aktor übertragen,
so dass das fernsteuerbare Fahrzeug manuell von dem Nutzer gesteuert
wird und dieser die Kontrolle über
das fernsteuerbare Fahrzeug erhält.
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Die
Erfindung umfasst auch die Möglichkeit, dass
im Falle einer Funktionsstörung
des Bordrechners auf den zweiten Übertragungskanal geschaltet wird.
In diesem Fall ist der Prozessor eingerichtet, von dem Empfänger empfangene
Steuerdaten nicht an den Bordrechner zu übermitteln und die vom Bordrechner
eventuell generierten Steuerdaten zu ignorieren. Der Bordrechner
wird somit von der Steuerung des fernsteuerbaren Fahrzeugs entkoppelt.
Seine Funktionsstörung
wirkt sich daher nicht mehr nachteilig auf die Steuerung des fernsteuerbaren Fahrzeugs
aus.
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Die
Umschalteinheit lässt
sich besonders einfach durch ein Relais oder einen Halbleiterschalter
ausbilden.
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Komplexere
Aufgaben der Fail-Safe-Einheit lassen sich realisieren, wenn der
Prozessor durch einen Mikrocontroller gebildet ist. Ein Mikrocontroller hat
in der Regel gegenüber
einem reinen Prozessor den Vorteil, dass er neben der CPU (Central
Proccessing Unit) auch einen Speicher und für Steuerungs- und Regelungsaufgaben
häufig
benötigte
Peripheriebausteine (z. B. Schnittstellen-Treiber, Timer, Analog-Digital Umsetzer)
umfasst. In diesem Speicher können
beispielsweise Programme für
die Manipulation der Steuerdaten oder auch ein Autopilotprogramm
implementiert sein, das im Fall einer Funktionsstörung des
Bordrechners die Steuerung des wenigstens einen Aktors übernimmt.
Denkbar ist, dass der Prozessor ein Autopilotprogramm ausführt, das ein
Modellflugzeug in einen sicheren Sink-, Spiral- oder Kreisflug übergehen
lässt.
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Eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen fernsteuerbaren
Fahrzeugs besteht darin, dass die Fail-Safe-Einheit eingerichtet
ist, eine Funktionsstörung
des Empfängers,
Senders oder der Funkstrecke zu detektieren und in diesem Fall auf
den zweiten Übertragungskanal
zu schalten. Die Fail-Safe-Einheit ist somit in der Lage, auch auf
diese weiteren Funktionsstörungen
zu reagieren und einen Verlust oder einen Schaden bei dem fernsteuerbaren Fahrzeug
zu vermeiden. Das fernsteuerbare Fahrzeug lässt sich in diesem Fall durch
den Prozessor oder den Bordcomputer steuern, bis die Funktionsstörung beseitigt
ist. War etwa der Empfang der Funksignale durch eine zu große Funkstrecke
gestört,
lässt sich
das fernsteuerbare Fahrzeug durch eine geeignete Regelung, die in
dem Bordrechner realisiert ist, in den Empfangsbereich zurückführen. Fällt auch
der Bordrechner aus, so erfolgt die Steuerung des fernsteuerbaren
Fahrzeugs durch den Prozessor.
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Das
erfindungsgemäße fernsteuerbare
Fahrzeug lässt
sich auch dann kontrollieren, wenn eine Funktionsstörung des
Prozessors auftritt. Hierzu ist die Umschalteinheit eingerichtet,
im Fall einer Funktionsstörung
des Prozessors auf den ersten Übertragungskanal
zu schalten. D. h., der erste Übertragungskanal
nimmt einen Ruhezustand der Umschalteinheit ein. Wenn beispielsweise
der Strom für
den Prozessor ausfällt
und das Steuersignal für
die Umschalteinheit verschwindet, schaltet die Umschalteinheit immer
auf den ersten Übertragungskanal,
auch wenn sie vor der Funktionsstörung auf einem anderen Übertragungskanal
geschaltet war. War sie zuvor schon auf den ersten Übertragungskanal
geschaltet, bleibt dieser Übertragungskanal
stabil. Über
den ersten Übertragungskanal
ist das fernsteuerbare Fahrzeug manuell durch den Nutzer steuerbar.
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Die
Funktionsfähigkeit
des Prozessors kann mit einem so genannten Watchdog-Timer überprüft werden.
Dabei werden bestimmte Statusinformationen, beispielsweise bestimmte
Zahlenwerte, periodisch in eine Speichereinheit hineingeschrieben.
Verändert
sich der Zahlenwert oder bleibt das Speichern von Statusinformationen
aus, kann hieraus auf eine Funktionsstörung des Prozessors geschlossen
werden.
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Eine
mögliche
Funktionsstörung
des Prozessors kann beispielsweise durch einen Programmfehler auftreten,
insbesondere bei einem programmierbaren Mikroprozessor. Solche Funktionsstörungen lassen
sich oftmals durch einen Neustart des Prozessors beheben. Aus diesem
Grund sieht eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen fernsteuerbaren Fahrzeugs
vor, dass ein Neustart des Prozessors durchgeführt wird, wenn der Watchdog-Timer
eine Funktionsstörung
des Prozessors detektiert.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen fernsteuerbaren
Fahrzeugs sieht wenigstens einen Sensor vor, der zur Übertragung seiner
Ausgangsdaten mit dem Prozessor verbunden ist. Die Sensoren können über serielle,
analoge oder digitale Schnittstellen mit dem Prozessor verbunden werden.
Um einen Austausch im Falle einer Reparatur oder bei anderen Anwendungen
zu ermöglichen, ist
es zweckmäßig, lösbare Schnittstellen
zu verwenden. Die Sensoren können
zur Realisierung von Steuerungs- oder Überwachungsfunktionen eingesetzt
werden. Beispielsweise lässt
sich die Position über
GPS (Global Positioning System) ermitteln. Denkbar sind auch Geschwindigkeits-
und Höhensensoren,
Sensoren für
Batteriespannungen und Temperatur oder Frequenzzähler und Drehzahlmesser.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Umschalteinheit zusätzlich über Umschaltdaten
von dem Nutzer gesteuert werden. Die Umschaltdaten werden von dem
Nutzer über
den Sender an den Empfänger übertragen.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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Bei
dem Verfahren wird die Funktionsfähigkeit des Bordrechners wiederholt überprüft. Die Überprüfung kann
beispielsweise periodisch erfolgen. Wird eine Funktionsstörung des
Bordrechners detektiert, wird wahlweise auf den ersten oder zweiten Übertragungskanal
geschaltet. In dem Fall, dass auf den zweiten Übertragungskanal geschaltet
wird, muss sichergestellt werden, dass der Bordrechner von der Steuerung
des fernsteuerbaren Fahrzeugs entkoppelt ist. Hierzu werden die
Steuerdaten unter Umgehung des Bordrechners zu dem wenigstens einen
Aktor übertragen.
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Zweckmäßig wird
auch die Funktionsfähigkeit
des Empfängers,
Senders oder der Funkstrecke überprüft. Bei
Detektion einer Funktionsstörung
wird auf den zweiten Übertragungskanal
geschaltet. Vorzugsweise werden der Empfänger, Sender oder die Funkstrecke
auch nach dem Schalten auf den zweiten Übertragungskanal im Falle einer
Funktionsstörung
weiter überprüft. Wird
festgestellt, dass die Funktionsstörung beseitigt ist, lässt sich
der erste Übertragungskanal
wieder nutzen.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst
durch eine Fail-Safe-Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Die
Fail-Safe-Einheit bietet den Vorteil, dass sie flexibel in unterschiedlichen
steuerbaren Fahrzeugen eingesetzt oder zu Wartungs- und Reparaturzwecken
einfach ausgebaut und wieder eingebaut werden kann.
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Die
Erfindung wird anhand eines in den folgenden Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen
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1 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen fernsteuerbaren Fahrzeugs,
das auf den ersten Übertragungskanal
geschaltet ist und
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2 das
erfindungsgemäße fernsteuerbare
Fahrzeug aus 1, das auf den zweiten Übertragungskanal
geschaltet ist.
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In 1 ist
das Prinzipschaltbild eines Systems dargestellt, bei dem ein fernsteuerbares
Fahrzeug 1 mittels einer Fernbedienung 2 gesteuert
wird.
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Die
Fernbedienung 2 überträgt Funksignale über eine
Funkstrecke 3, die von einem Empfänger 4 in dem fernsteuerbaren
Fahrzeug 1 empfangen werden.
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In
dem Funksignal sind Steuerdaten für das fernsteuerbare Fahrzeug 1 in
codierter Form enthalten. Die Steuerdaten werden in dem Empfänger 4 decodiert
und als pulsweitenmoduliertes Signal an eine Fail-Safe-Einheit 5 übertragen.
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In
der Fail-Safe-Einheit 5 wird das pulsweitenmodulierte Signal
geteilt. Das geteilte pulsweitenmodulierte Signal liegt einerseits
an einem ersten Eingangskontakt 6 einer Umschalteinheit 7 an.
Andererseits wird das geteilte pulsweitenmodulierte Signal an einen
Mikrocontroller 8 übertragen.
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Der
Mikrocontroller 8 ist über
eine bidirektionale Schnittstelle 9 (Bordrechner-Schnittstelle) mit
einem Bordrechner 10 verbunden.
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Der
Mikrocontroller 8 umfasst einen Ausgang 11, der
mit einem zweiten Eingangskontakt 12 der Umschalteinheit 7 verbunden
ist. Über
diese Verbindung können
Daten, beispielsweise Steuerdaten, an die Umschalteinheit 7 übertragen
werden.
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Ein
Ausgangskontakt 13 der Umschalteinheit 7 ist mit
einem Servomotor 14 verbunden.
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Bei
dem Servomotor 14 handelt es sich um einen positionsgeregelten
Motor. Es ist jedoch auch möglich,
drehzahlgeregelte Motoren anzusteuern. Der Servomotor 14 steuert
beispielsweise das Höhenruder
eines Modellflugzeugs. Der Servomotor 14 ist über eine
integrierte Steuereinheit (nicht dargestellt) in der Lage, pulsweitenmodulierte
Signale in Positionen umzuwandeln. Dies erfolgt üblicherweise über die
Pulsbreite. Herkömmliche
Servomotoren im Modellfahrzeugbereich arbeiten mit einem Signal
der Periodendauer 20 ms, bei denen die Pulsbreite zwischen
1 bis 2 ms liegt und die Position des Servomotors repräsentiert.
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Der
Mirkocontroller 8 weist eine weitere Schnittstelle 15 auf,
an der weitere Geräte 16 angeschlossen
werden können.
Beispielsweise kann ein GPS-Gerät über eine
serielle Schnittstelle, ein Geschwindigkeits- und Höhensensor über eine
analoge Schnittstelle, Batteriespannungen und Temperaturen über eine
analoge Schnittstelle, Frequenzzähler
oder Drehzahlmesser über
eine digitale Schnittstelle angeschlossen werden.
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Der
Mikrocontroller 8 steuert die Umschalteinheit 7,
d. h. über
ein elektrisches Signal 17 lässt sich der Übertragungskanal
der Umschalteinheit auswählen.
Bei einem ersten Übertragungskanal
ist der erste Eingangskontakt 6 mit dem Ausgangskontakt 13 verbunden.
In diesem Fall existiert keine Verbindung zwischen dem zweiten Eingangskontakt 12 und dem
Ausgangskontakt 13. Wird ein zweiter Übertragungskanal geschaltet,
ist der zweite Eingangskontakt 12 mit dem Ausgangskontakt 13 verbunden.
In diesem Fall ist der erste Eingangskontakt 6 nicht mit dem
Ausgangskontakt 13 verbunden. Die Umschalteinheit 7 lässt sich
mit einem Relais oder einem Halbleiterschalter realisieren. Die
Umschalteinheit 7 kann auch weitere Übertragungskanäle vorsehen.
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Der
Mikrocontroller 8 ist derart eingerichtet, dass er über die
bidirektionale Schnittstelle die Funktionsfähigkeit des Bordrechners 10 überprüfen kann.
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Wenn
der Bordrechner 10 einwandfrei funktioniert, ist der Mikrocontroller 8 in
der Lage, Steuerdaten von dem Empfänger 4 an den Bordrechner 10 zu übergeben,
der diese dann manipulieren kann. Der Bordrechner 10 kann
auch selbst Steuerdaten generieren.
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Es
ist auch möglich,
dass der Mikrocontroller 8 selbst die Steuerdaten von dem
Empfänger 4 manipuliert.
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In 1 ist
die Umschalteinheit 7 auf den ersten Übertragungskanal geschaltet.
In diesem Fall wird der Servomotor 14 direkt über die
von dem Sender 2 an den Empfänger 4 übertragenen
Steuerdaten gesteuert. Der Nutzer übt auf diese Weise allein die Kontrolle über das
fernsteuerbare Fahrzeug 1 aus (manueller Modus).
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Der
Nutzer ist in der Lage, über
Umschaltbefehle, die ebenfalls über
die Funkstrecke 3 an den Empfänger 4 übertragen
werden, die Umschalteinheit 7 zu steuern. Der Nutzer kann
auf diese Weise entscheiden, ob er das fernsteuerbare Fahrzeug 1 manuell
steuern möchte
oder ob sich das fernsteuerbare Fahrzeug durch ein in dem Mikrocontroller 8 oder
dem Bordrechner 10 implementiertes Autopilotprogramm autonom
bewegen soll. In diesem Fall müsste
er die Umschalteinheit 7 auf den zweiten Übertragungskanal
einstellen.
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Detektiert
der Mikrocontroller 8 eine Funktionsstörung des Bordrechners 10,
kann er die Umschalteinheit 7 auf den ersten Übertragungskanal schalten
oder, wenn der erste Übertragungskanal
geschaltet war, diesen dort belassen. Auf diese Weise ist der Bordrechner 10 von
der Steuerung des Servomotors 7 und damit des fernsteuerbaren
Fahrzeugs 1 entkoppelt. Die Funktionsstörung des Bordrechners 10 wirkt
sich auf diese Weise nicht nachteilig auf das fernsteuerbare Fahrzeug 1 aus.
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Bei
einer Funktionsstörung
des Bordrechners 10 ist es auch möglich, dass der Mikrocontroller 8 die
Umschalteinheit 7 auf den zweiten Übertragungskanal schaltet.
Dies ist in 2 dargestellt.
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Damit
sich die Funktionsstörung
des Bordrechners 10 nicht nachteilig auf das fernsteuerbare Fahrzeug 1 auswirkt,
ist der Mikrocontroller 8 derart eingerichtet, dass er
eventuell generierte Steuerdaten von dem Bordrechner 10 ignoriert.
Er sendet auch keine Steuerdaten vom Empfänger 4 an den Bordrechner 10.
von dem Empfänger 4 nicht über die bidirektionale
Schnittstelle 9 an den Bordrechner 10 überträgt. Der
Bordrechner 10 ist somit auch in diesem Fall von der Steuerung
des Servomotors 14 und damit des fernsteuerbaren Fahrzeugs 1 entkoppelt. Es
ist jedoch möglich,
dass der Mikrocontroller 8 die Steuerdaten von dem Empfänger 4 manipuliert,
bevor er sie an den zweiten Eingangskontakt 12 der Umschalteinheit 7 überträgt.
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Einer
Funktionsstörung
des Bordrechners 10 steht es gleich, wenn der Bordrechner 10 nicht
eingeschaltet ist.
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Die
Umschalteinheit 7 ist so eingerichtet, dass sie in einem
Ruhezustand auf den ersten Übertragungskanal
geschaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass sich das fernsteuerbare
Fahrzeug 1 im manuellen Modus befindet, wenn die Umschalteinheit 7 stromlos
ist, beispielsweise durch einen Ausfall der Versorgungsspannung
der Fail-Safe-Einheit 5.
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Der
Mikrocontroller 8 ist mit einem internen Watchdog-Timer
ausgestattet. Über
den Watchdog-Timer kann detektiert werden, wenn der Mikrocontroller
einen Programmabsturz erfährt
oder sich in einer Endlosschleife „aufhängt". In diesem Fall schaltet die Umschalteinheit 7 auf
den ersten Übertragungskanal.
Ferner wird ein Neustart des Programms im Mikrocontroller 8 durchgeführt.
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Der
Mikrocontroller 8 ist schließlich so eingerichtet, dass
er die von dem Empfänger 4 übertragenen
pulsweitenmodulierten Signale decodiert und in digitaler Form an
den Bordrechner 10 überträgt. Der Datenaustausch
mit dem Bordrechner 10 erfolgt nach einem festgelegten
Protokoll. Die Schnittstelle 9 ist eine bidirektionale
serielle Schnittstelle.