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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Lagebestimmung eines Objekts.
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STAND DER TECHNIK
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Bei
einer Vielzahl von Anwendungen muss die Lage eines Objekts im Raum,
das heißt dessen Orientierung im Raum, ermittelt werden.
Derartige Objekte sind nicht nur sich bewegende Objekte wie Fahrzeuge,
Flugzeuge oder Schiffe, sondern auch stationäre Objekte
wie beispielsweise schwenkbare mobile Plattformen, Ständer
für Vermessungsaufgaben oder Roboterarme.
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Die
Bestimmung der Lage des Objekts im Raum sollte durch kostengünstige
Sensoren erfolgen, um eine hohe Verbreitung des Einsatzes erfindungsgemäßer
Lagebestimmungsvorrichtungen zu ermöglichen. Geeignete
Sensoren für derartige Aufgaben sind Beschleunigungssensoren
und Drehratensensoren.
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Durch
geeignetes Aufintegrieren von gemessenen Drehraten kann beispielsweise
mit einer Strapdown-Rechnung eine geschätzte Lage ermittelt werden.
Die Genauigkeit einer so gewonnenen Lageschätzung verschlechtert
sich jedoch mit fortschreitender Zeit, so dass die Schätzung
nur innerhalb eines gewissen Zeitraums verwendbar ist. Dieser Zeitraum
liegt bei der Verwendung von teueren und aufwändigen Sensoren
beispielsweise im Bereich von Stunden bis Tagen. Werden jedoch kostengünstige Sensoren,
wie beispielsweise sogenannte MEMS-Sensoren, verwendet, so liegt
der Zeitraum, innerhalb dessen die Schätzung brauchbar
ist, zwischen wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten.
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Um
die Genauigkeit der Lageschätzung zu verbessern und zur
Erzielung einer brauchbaren Lageschätzung über
einen längeren Zeitraum werden die Drehratenmessdaten üblicherweise
mit anderen Sensordaten mit Hilfe von Filter- oder Fusionsverfahren
kombiniert.
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Aus
der Literaturstelle „Wendel, Jan: Integrierte Navigationssysteme,
Sensordatenfusion, GPS und inertiale Navigation; Oldenburg Verlag 2007" sind
die nachfolgend aufgeführten Methoden zur Verbesserung
der Genauigkeit der Lageschätzung bekannt:
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Abgleich mehrerer Lagebestimmungssysteme
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Mehrere
unabhängig arbeitende Lagebestimmungssysteme werden gleichzeitig
eingesetzt und die unterschiedlichen Schätzungen werden
zu einer Gesamtschätzung fusioniert. Nachteilig ist bei dieser
Vorgehensweise, dass die erzielbare Verbesserung aufgrund der Gesetze
der Statistik beschränkt ist, denn um eine Verdoppelung
der Genauigkeit zu erzielen, wird die vierfache Anzahl an Lagebestimmungssystemen
benötigt.
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Verwendung zusätzlicher Positions-
und/oder Geschwindigkeitsdaten
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In
klassischen gestützten Navigationssystemen wird im Rahmen
der Strapdown-Rechnung neben der Lageermittlung auch eine Positionsbestimmung
unter Verwendung der in üblicherweise auch zur Verfügung
stehenden Beschleunigungsmesserinformationen durchgeführt.
Durch Vergleich der geschätzten Lageposition mit Positions-
und/oder Geschwindigkeitsdaten anderer Sensoren, zum Beispiel den
Daten eines Satellitennavigationssystems, können die Lagefehler
beispielsweise unter Verwendung eines Kalman-Filters geschätzt
werden. Bei dieser Vorgehensweise sind jedoch die Lagefehler nicht
unter allen Bedingungen sinnvoll schätzbar. Führt
das Objekt nur kleine oder langsame Bewegungen durch, überlagert
der Messfehler der zusätzlichen Sensoren häufig
die nutzbare Information und die Messung wird unbrauchbar. Führt
das Objekt ungeeignete Bewegungen – durchaus auch mit hoher
Geschwindigkeit – durch, so sind nicht alle Lagefehler
beobachtbar. Beispielsweise ist es bei der Lageermittlung von Flugzeugen
nicht möglich, durch einen Geradeausflug den Gierwinkelfehler
zu ermitteln.
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Verwendung zusätzlicher Lage-
und/oder Drehratendaten
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Durch
die Bestimmung des Magnetfeldvektors der Erde oder auch durch Auswertung
von Bildinformationen einer mitgeführten Kamera können
zusätzliche Informationen über die Lage im Raum
gewonnen werden, so dass mit diesen zusätzlich gewonnenen
Daten der Lagefehler, beispielsweise unter Verwendung eines Kalman-Filters,
geschätzt werden kann. Problematisch dabei ist jedoch,
dass der Magnetfeldvektor der Erde nur schwer zuverlässig bestimmbar
ist. Die Messung des Magnetfeldvektors der Erde ist regelmäßig
ungenau und wird beispielsweise von elektromagnetischen Feldern
und dem den Sensor umgebenden Material stark beeinflusst. Zudem
sind bestenfalls zwei der drei Lagewinkel auf diese Weise beobachtbar.
In der Regel ist sogar nur die Stützung eines Lagewinkels
realisierbar. Die Bestimmung des Magnetfelds der Erde entspricht
dann der Bestimmung einer Richtung mit einem Kompass. Eine analoge
Situation ergibt sich auch bei der Auswertung von Bilddaten einer
mitgeführten Kamera. Eine Schätzung der Lagefehler
mit dieser Methodik ist nur dann möglich, wenn das Objekt
geeignete Bewegungen durchführt.
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Messung des Erdbeschleunigungsvektors
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Stehen
neben Drehratensensoren auch Beschleunigungssensoren zur Verfügung,
so können durch Messung des Erdbeschleunigungsvektors ebenfalls
zwei von drei Lagewinkelfehlern geschätzt werden. Da die
Beschleunigungssensoren jedoch neben der Erdbeschleunigung auch
die Beschleunigung des Objekts selbst messen, ist die Voraussetzung
für eine sinnvolle Anwendung dieser Methodik, dass das
Objekt in der Messphase nur vernachlässigbare Beschleunigungen
erfährt oder dass diese Beschleunigungen durch ein genaues
Modell des Objekts rechnerisch kompensiert werden können. Die
Genauigkeit der Messung und der Information ist beschränkt
und ist daher zumeist nur dann wirkungsvoll, wenn die Drehratensensoren
selbst sehr ungenau sind. In der Praxis ist häufig der
Fall gegeben, dass sich das Objekt nicht beschleunigt bewegt, wie dies
zum Beispiel im Schwebeflug, im Geradeausflug oder bei der Drehung
auf der Stelle gegeben ist, zumindest treten derartige Bewegungszuständige
zeitweise während einer vom Objekt durchgeführten Mission
auf. Da externe Objektbeschleunigungen, zum Beispiel durch Windböen,
häufig gut detektierbar sind, kann durch geeignete Plausibilitätsprüfungen
die Stützung der Drehratensensoren durch die Messung der
Erdbeschleunigung gezielt nur in unbeschleunigten Phasen des Objekts
eingeschaltet werden. Eine vollständige Schätzung
ist jedoch wiederum nur bei Vorliegen von geeigneten Bewegungen möglich
und die erzielbare Genauigkeit mit dieser Methode ist begrenzt.
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Transfer Alignment
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Während
der ersten Betriebsphase der Vorrichtung zur Lagebestimmung, also
nach deren Einschalten, wird die Vorrichtung an ein bereits seit
längerer Zeit mit ausreichender Genauigkeit arbeitendes
Referenzsystem (eingeschwungenes System) gekoppelt. Die in diesem
Referenzsystem bereits in ausreichender Genauigkeit vorliegenden
Schätzwerte diesen als Messwerte für die neu eingeschaltete und
zu initialisierende Vorrichtung zur Lagebestimmung. Das Referenzsystem
liefert auch Information über Zustände, die nicht
durch die zu initialisierende Vorrichtung zur Lagebestimmung gemessen
werden und sorgt somit für ein schnelles Einschwingen,
ein sogenanntes „Alignment”, der zu initialisierenden Vorrichtung
zur Lagebestimmung. Diese Methodik funktioniert jedoch nur dann,
wenn ein eingeschwungenes Referenzsystem in definierter Lage zu
der zu initialisierenden Vorrichtung zur Lagebestimmung vorhanden
ist. Wird die Vorrichtung zur Lagebestimmung vom Referenzsystem
abgekoppelt, so ist eine Stützung nicht mehr möglich.
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Ermittlung von Sensorparametern
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Neben
der Schätzung der Bewegung selbst ist es bei Einsatz geeigneter
Filter möglich, systematische Sensorfehler, wie etwa einen
Bias des Sensors, zu schätzen und zu kompensieren. Auch
hierzu ist jedoch die Beobachtbarkeit der Schätzgrößen
Voraussetzung. Diese Beobachtbarkeit ist im Allgemeinen auch wieder
nur bei Vorliegen entsprechender Bewegungen des Objekts möglich.
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Die
vorstehend beschriebenen System des Standes der Technik können
häufig nicht direkt alle Zustände des Systems,
also z. B. die Lagewinkelfehler oder auch die Sensorparameter, beobachten.
Um eine ausreichende Stützung aller Winkel zu erhalten, ist
es erforderlich, dass das Objekt bestimmte Bewegungen vollzieht.
So fordern bis heute bestimmte Flugzeug- und Flugkörpernavigationssysteme
die Durchführung sogenannter „Alignmentmanöver”,
beispielsweise das Fliegen einer S-Kurve, um eine ausreichende Schätzgenauigkeit
aller Größen sicherzustellen.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße
Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Objekts anzugeben, die auf
kostengünstige Weise eine gegenüber dem Stand
der Technik bessere Genauigkeit und erhöhte Zuverlässigkeit
besitzt und die auch über einen längeren Zeitraum
eine ausreichende Genauigkeit der Lagebestimmung liefert. Eine weitere
Aufgabe ist es, ein entsprechendes Verfahren zur Lagebestimmung
eines Objekts anzugeben.
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Gelöst
wird die auf die Vorrichtung gerichtete Aufgabe durch die Vorrichtung
zur Lagebestimmung eines Objekts mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1.
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Dazu
ist die Vorrichtung versehen mit einer ersten Sensoreinheit mit
mindestens drei Drehratensensoren, zumindest einem, vorzugsweise
mit der ersten Steuereinheit verbundenen, Stützsensor und einer
Datenverarbeitungseinheit, der die Sensorsignale der ersten Sensoreinheit
und die Sensorsignale des zumindest einen Stützsensors
zugeführt werden. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die erste Sensoreinheit
um zumindest eine Drehachse drehbar gelagert ist und dass zumindest
eine Stellantriebseinheit vorgesehen ist, die zum Drehantrieb der
ersten Sensoreinheit um die Drehachse(n) ausgebildet ist.
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VORTEILE
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Die
drehbare Lagerung der ersten Sensoreinheit um zumindest eine Drehachse
und das Vorsehen von zumindest einer Stellantriebseinheit, die zum
Antrieb der ersten Sensoreinheit um die Drehachse(n) ausgebildet
ist, eröffnet auf besonders einfache und kostengünstige
Weise die Möglichkeit, durch entsprechende Bewegung der
ersten Sensoreinheit eine genauere Lagebestimmung des Objekts vorzunehmen,
ohne dass das Objekt selbst bewegt werden muss oder aus seiner vorgesehenen
Bewegungsrichtung zum Zwecke der Lagebestimmung abweichen muss.
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Die
erste Sensoreinheit, die eine Inertialmesseinheit (IMU „Inertial
Measurement Unit”) bildet, ist somit nicht fest im oder
am Objekt angebracht, sondern ist im Objekt um zumindest eine Drehachse drehbar
gelagert und kann durch die Stellantriebseinheit in Drehung versetzt
werden. Durch eine moderate Drehung der ersten Sensoreinheit, zum
Beispiel um eine Achse mit wechselndem Links-/Rechtslauf und um
einen durch einen Anschlag festgelegten Drehwinkel sowie Ruhepausen
ohne Bewegung, wird die mangelnde Beobachtbarkeit einzelner Objekt-Lagewinkel
vermieden. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Drehung der
Sensoreinheit präzise ausgeführt wird und es kann
gegebenenfalls sogar auf die Messung der Drehung der Sensoreinheit durch
einen Messaufnehmer verzichtet werden. Die Gesamtkosten für
die bei der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik zusätzlich
vorgesehene Drehbarkeit der Sensoreinheit und den Stellantrieb können
somit sehr gering gehalten werden.
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Vorzugsweise
ist der Stützsensor beziehungsweise sind die Stützsensoren
von jeweils einem Beschleunigungssensor und/oder Magnetfeldsensor
gebildet. Die Stützsensoren erfassen somit eine andere
Messgröße als die IMU.
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Je
nach Bauform und Funktionsprinzip des Stützsensors beziehungsweise
der Stützsensoren kann es zweckmäßig
sein, den Stützsensor beziehungsweise die Stützsensoren
nicht auf der drehbaren Sensoreinheit anzubringen, sondern in einer
zusätzlichen zweiten Sensoreinheit unterzubringen, die am
Objekt fest montiert ist.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn zumindest ein weiterer Stützsensor in
einer separaten zweiten Sensoreinheit vorgesehen ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung erfolgt eine Ermittlung des Drehwinkels beziehungsweise
der Drehwinkel, der von der Stellantriebseinheit auf die erste Sensoreinheit
ausgeübten Drehung. Diese Drehwinkelermittlung erfolgt
vorzugsweise kontinuierlich. Die Drehwinkelermittlung kann entweder
durch Messung des Drehwinkels mittels geeigneter Messaufnehmer durchgeführt
werden oder die Drehung kann durch Vorsehen eines entsprechenden
Anschlags auf einen vorgegebenen Winkel begrenzt werden, so dass der
aktuelle Drehwinkel aus den Kommandos an die Stellantriebseinheit
geschätzt werden kann. Auch können entlang des
Drehwegs Signalgeber vorgesehen sein, die unter definierten Winkeln
angeordnet sind und die somit ein Signal auslösen, wenn
ein vorgegebener Drehwinkel erreicht worden ist.
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Die
ermittelten Drehwinkelwerte werden vorzugsweise als Signale an die
Datenverarbeitungseinheit übertragen.
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Des
Weiteren werden in einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung die Signale zur Steuerung der Stellantriebseinheit von
der Datenverarbeitungseinheit an die Stellantriebseinheit übertragen. Die
Datenverarbeitungseinheit empfängt dann nicht nur die Messdaten
der Drehratensensoren, also die Sensorsignale der ersten Sensoreinheit,
sowie gegebenenfalls die die Drehwinkel wiedergebenden Signale,
sondern sendet auch Steuersignale als Befehle zur Steuerung der
Stellantriebseinheit.
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Der
auf das Verfahren gerichtete Teil der der Erfindung zugrunde liegenden
Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Patentanspruch
7.
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Dieses
erfindungsgemäße Verfahren zur Lagebestimmung
eines Objekts weist die folgenden Schritte auf:
- a)
Ermittlung von Drehraten-Messdaten mittels zumindest dreier Drehratensensoren
einer Sensoreinheit, wobei die Drehratensensoren jeweils einer von
drei rechtwinklig zueinander gelegenen Raumachsen zugeordnet sind,
und Ermittlung von Stützdaten mittels zumindest eines Stützsensors;
- b) Integration der in Schritt a) ermittelten Drehraten-Messdaten
mittels eines Strapdown-Algorithmus' und Schätzung der
Lage der Sensoreinheit im Raum;
- c) Ermittlung eines Wertes (zum Beispiel der Fehlervarianz)
für den Lagefehler der in Schritt b) geschätzten
Lage der Sensoreinheit mittels eines Datenfusionsverfahrens unter
Verwendung der in Schritt a) ermittelten Stützdaten;
- d) Drehung der Sensoreinheit um zumindest eine Drehachse und
Wiederholung der Schritte a) bis c) während der Drehung;
- e) Schätzung der Lage des Objekts im Raum auf der Basis
der in Schritt b) geschätzten Lage der Sensoreinheit.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen
Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1 einen
schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Lagebestimmung eines Objekts;
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2 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Lagebestimmung eines Objekts;
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3 einen
experimentellen Messdatensatz;
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4 Ergebnisse
einer Lageschätzung gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren und
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5 Schätzfehlervarianzen
zur Lageschätzung gemäß 4.
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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In 1 ist
in schematischer Darstellung der Aufbau einer Vorrichtung zur Lagebestimmung
eines symbolisch durch gestrichelte Linien dargestellten Objekts
O gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergegeben.
Die Vorrichtung umfasst eine erste Sensoreinheit 1, eine
zweite Sensoreinheit 2, eine Datenverarbeitungseinheit 3 und
eine Stellantriebseinheit 4 sowie entsprechende mechanische
und elektrische Verbindungen zwischen diesen Einheiten.
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Die
Sensoreinheit 1 weist mindestens drei Drehratensensoren 11, 12, 13 auf,
die vorzugsweise rechtwinklig zueinander (Raumachsen x, y, z) angeordnet
sind, sowie weitere Sensoren (21) als sogenannte Stützsensoren,
wie beispielsweise Beschleunigungssensoren.
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Die
Sensoreinheit 1 ist innerhalb des Objekts O und relativ
zu diesem um eine Drehachse X drehbar gelagert. Die Drehachse X
stimmt im gezeigten Beispiel mit der Raumachse x überein. Über
eine Welle 5, die mit der ersten Sensoreinheit 1 fest
verbunden ist, und die von einem nicht gezeigten und von einer Servosteuerung
beaufschlagten Drehantrieb der fest mit dem Objekt verbundenen Stellantriebseinheit 4 beaufschlagt
ist, kann die Sensoreinheit 1 von der Stellantriebseinheit 4 um
die Achse X gedreht werden, wie durch den Pfeil D symbolisiert ist.
Die Drehung kann wahlweise in Pfeilrichtung oder entgegengesetzt
dazu erfolgen. Zum Antrieb der Welle 5 ist die Stellantriebseinheit 4 mit
einem beispielsweise elektrischen Antriebsmotor versehen.
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Durch
das Vorsehen weiterer Stellantriebseinheiten kann auch eine mehrachsige
Drehbarkeit der ersten Sensoreinheit 1, beispielsweise
in Verbindung mit einer kardanischen Lagerung, bei der jede Lagerwelle
eine eigene Stellantriebseinheit aufweist, realisiert sein.
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Die
erste Sensoreinheit 1 ist über eine erste Datenleitung 6 mit
der Datenverarbeitungseinheit 3 verbunden, so dass Signale
S1 von der ersten Sensoreinheit 1 an
die Datenverarbeitungseinheit 3 übertragen werden
können.
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Die
Stellantriebseinheit 4 ist über eine Datenleitung 7 mit
der Datenverarbeitungseinheit 3 zum Datenaustausch verbunden.
Bei diesem Datenaustausch zwischen der Stellantriebseinheit 4 und
der Datenverarbeitungseinheit 3 können sowohl
Signale aus der Stellantriebseinheit 4, beispielsweise
ermittelte Drehwinkelwerte (sofern verfügbar), an die Datenverarbeitungseinheit 3,
als auch Signale S4 zur Steuerung der Stellantriebseinheit 4 von
der Datenverarbeitungseinheit 3 an die Stellantriebseinheit 4 übertragen
werden.
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Die
zweite, optionale Sensoreinheit 2 enthält zumindest
einen zusätzlichen, zweckmäßigerweise nicht
drehbar gelagerten, Sensor (21), zum Beispiel einen GPS-Empfänger.
Es können selbstverständlich auch mehrere gleichartige
oder unterschiedliche Stützsensoren in der zweiten Sensoreinheit 2,
die mit dem Objekt fest verbunden ist, vorgesehen sein.
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Eine
dritte Datenleitung 8 verbindet die zweite Sensoreinheit 2 mit
der Datenverarbeitungseinheit 3 derart, dass Signale S2 von der zweiten Sensoreinheit 2 an
die Datenverarbeitungseinheit 3 übertragen werden
können.
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Die
Datenverarbeitungseinheit 3 empfängt somit Messdaten
von der ersten Sensoreinheit 1, der zweiten Sensoreinheit 2 und
der Stellantriebseinheit 4 und sendet Kommandos zur Steuerung
der Stellantriebseinheit 4 an diese.
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Die
Stellantriebseinheit 4 ist optional so ausgestaltet, dass
sie mit entsprechenden Einrichtungen versehen ist, um den von der
Welle 5 und damit von der ersten Sensoreinheit 1 vollführten
Drehwinkel zu messen. Diese Drehwinkelmessung kann als kontinuierliche
Messung erfolgen. Alternativ zu einer kontinuierlichen Messung des
Drehwinkels (beziehungsweise der Drehwinkel bei mehreren Drehachsen)
der ersten Sensoreinheit 1, können auch einfachere
und kostengünstigere Einrichtungen zur Drehwinkelbestimmung
vorgesehen sein. So können beispielsweise beim Erreichen
eines oder mehrerer vorgegebener Drehwinkel Signale ausgelöst
und an die Datenverarbeitungseinheit 3 übertragen
werden. Alternativ oder zusätzlich zur Ausgestaltung der
Stellantriebseinheit 4 mit einer Einrichtung zur Messung
des Drehwinkels oder der Drehwinkel ist das Vorsehen von einem oder
mehreren vermessenen Endanschlägen zur Beendigung der Drehbewegung.
Aus den an die Stellantriebseinheit 4 übertragenen
Kommandos kann die Datenverarbeitungseinheit 3 Schätzwerte des
aktuellen Drehwinkels oder der aktuellen Drehwinkel ermitteln. Ebenso
kann bei einer Drehung bis zum Erreichen des Anschlags die Orientierung
der ersten Sensoreinheit zum Objekt – bis auf eine systembedingte
Vermessungsungenauigkeit – exakt angegeben werden. Die
Drehung der ersten Sensoreinheit 1 kann ungeregelt und
unstabilisiert durchgeführt werden.
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Nachfolgend
wird anhand des Flussdiagramms der 2 das erfindungsgemäße
Verfahren zur Lagebestimmung eines Objekts näher erläutert.
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Im
Schritt 101 werden zunächst die Drehraten der
Drehratensensoren 11, 12, 13 bestimmt.
Diese ermittelten Drehratendaten werden dann im Schritt 102 einer
Plausibilitätsprüfung unterworfen und an den Schritt 103 weitergeleitet.
Im Schritt 103 erfolgt eine Integration der ermittelten
Drehratendaten mittels eines Strapdown-Algorithmus' und es wird die
Lage der Sensoreinheit 1 im Raum geschätzt.
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Parallel
dazu werden im Schritt 104 Stützsensordaten vom
Stützsensor 20 ermittelt. Auch diese ermittelten
Stützsensordaten werden anschließend im Schritt 105 einer
Plausibilitätsprüfung unterzogen. Die vom Strapdown-Verfahren
im Schritt 103 ermittelten Schätzdaten der Lage
der Sensoreinheit 1 und die auf Plausibilität überprüften
Stützsensordaten werden im Schritt 106 mittels
eines Datenfusionsverfahrens (zum Beispiel eines ”Extended
Kalman-Filters”) gemeinsam verarbeitet, wobei ein Lagefehler
der im Schritt 103 ermittelten Lage der Sensoreinheit 1 im
Raum ermittelt wird.
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Anschließend
wird die Sensoreinheit 1 um zumindest eine Drehachse X
gedreht (Schritt 108), wozu vorher im Schritt 107 die
Stellantriebseinheit 4 entsprechend angesteuert wird, um
die Drehung der Sensoreinheit 1 beispielsweise um einen
vorgegebenen Winkel zu bewirken.
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Die
Schritte 101 bis 106 werden dann bei geänderter
Positionierung der Sensoreinheit 1 wiederholt, wobei zugleich
im Schritt 110 der von der Sensoreinheit 1 vollzogene
Drehwinkel gemessen wird. Dieser vollzogene Drehwinkel sowie die
im Schritt 106 ermittelten Lagefehlerdaten werden dann
im Schritt 109 aus dem Koordinatensystem der (gedrehten)
Sensoreinheit 1 in das Koordinatensystem des Objekts transformiert,
so dass sich im Schritt 111 eine geschätzte Objektlage
ergibt.
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Ein
mehrfaches Durchführen der vorgenannten Verfahrensschritte
bei unterschiedlichen Drehwinkeln der Sensoreinheit 1 führt
zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Schätzung
der Lage des Objekts im Raum.
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Zwar
sind im vorliegenden Beispiel die Schritte der Drehwinkelintegration 103 und
der Datenfusion 106 als zwei separate Schritte beschrieben worden,
sie können aber auch in einem einzigen Verfahrensschritt
nacheinander durchgeführt werden.
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Die
in der Stellantriebseinheit 4 vorgesehene Servosteuerung
kommandiert die von der Stellantriebseinheit 4 auf die
Sensoreinheit 1 ausgeübte Drehung. Je nach Charakteristik
der Sensoren können unterschiedliche Gimbaldrehraten und
Gimbalbeschleunigungen zweckmäßig sein. Die Drehung der
ersten Sensoreinheit 1 kann durch unterschiedliche Kriterien
initiiert werden. Dazu gehören zum Beispiel eine vom Datenfusionsverfahren
(Schritt 106) gemeldete mangelhafte Qualität eines
geschätzten Winkels, eine zeitabhängige Ansteuerung
oder eine manöverabhängige Ansteuerung der Stellantriebseinheit 4.
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Ist
die Stellantriebseinheit 4 nicht mit Messaufnehmern ausgestattet,
so kann es zur Vermeidung größerer Schätzfehler
zweckmäßig sein, die erste Sensoreinheit 1 zumindest
in einer Drehrichtung bis zu einem Anschlag zu drehen. Eine zweckmäßige
Bewegung ist zum Beispiel das Drehen der Sensoreinheit 1 aus
einer ersten Position um circa 90° in moderater Drehgeschwindigkeit,
um dort einige Zeit zu verweilen und dann wieder in die Ausgangsstellung
zurück zu drehen. Ist die Stellantriebseinheit 4 jedoch
mit Messaufnehmern ausgestattet, so genügt zum Beispiel
eine Drehung um circa 90° in moderater Drehgeschwindigkeit.
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Bei
der Verwendung eines mehrachsigen Gimbalsystems können
die Drehachsen frei gewählt werden. Durch geschickte Wahl
der Drehung kann die Genauigkeit der Lageschätzung erhöht
werden.
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Die
durch die Fusionsalgorithmen im Schritt 106 geschätzten
Lagewinkel beschreiben die Lage der Sensoreinheit 1 im
Raum. Ein Ausgabemodul transformiert im Schritt 109 die
Koordinaten der Lage der ersten Sensoreinheit in die Objektlage.
Dazu ist eine Schätzung der Orientierung der Sensoreinheit relativ
zum Objekt erforderlich. Ist die Stellantriebseinheit 4 mit
Messaufnehmern für die Drehbewegung ausgestattet, so liegt
die entsprechende Winkelinformation stets vor. Sind keine Messaufnehmer
vorgesehen, so ist sie aus den Stellkommandos zu schätzen.
Bei einer Drehung um einen vorgegebenen Winkel bis an einen Anschlag
kann die Orientierung der Sensoreinheit relativ zum Objekt auch
ohne das Vorhandensein von Messaufnehmern – bis auf eine
Vermessungsungenauigkeit – exakt angegeben werden.
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Nachstehend
werden anhand der 3 bis 5 experimentelle
Ergebnisse, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzielt worden sind, dargestellt.
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3 zeigt
einen Messdatensatz. Wie aus den Messdaten der Beschleunigungssensoren
ersichtlich ist, dreht sich nach circa 15 Sekunden die erste Sensoreinheit 1 im
Objekt um etwa 90° um die x-Achse der Sensoreinheit. Nach
circa 25 Sekunden fährt die Sensoreinheit in die Ursprungslage
zurück und das Objekt beginnt eine Drehung (kombiniertes Nicken
und Gieren). Nach circa 40 Sekunden nimmt das Objekt wieder eine
feste Lage ein, die von der ursprünglichen Objektlage um
90° um die z-Achse verdreht ist.
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4 zeigt
die Ergebnisse der Lageschätzung ausgehend vom Messdatensatz
der 3. Die hierbei eingesetzten Drehratensensoren
zeigen im Kanal der Gierbewegung (um die z-Achse) einen deutlichen
Bias. So baut sich bereits in den ersten 15 Sekunden, in denen Objekt
und Sensoreinheit nicht bewegt wurden, im Kanal der Gierbewegung
ein Winkelfehler von circa –75° auf. Dies entspricht
einem Sensorbias von etwa –0,09 rad/s. Durch die daraufhin
initiierte Drehung der Sensoreinheit kann der Sensorbias geschätzt
und die Lageschätzung entsprechend korrigiert werden. Nach
circa 20 Sekunden ist der Sensorbias korrekt geschätzt
und die geschätzte Lage der Sensoreinheit passend korrigiert worden.
Die Endlage nach circa 40 Sekunden wird korrekt geschätzt.
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5 zeigt
die zugehörigen Schätzfehlervarianzen. Die Drehung
der Sensoreinheit 1 wird wegen der unzureichenden Beobachtbarkeit
des Gierwinkels eingeleitet. Sie ist leicht an der stark ansteigenden
Schätzfehlervarianz zu erkennen. Nach durchgeführter
Drehung der Sensoreinheit nimmt die Varianz des Gier-Lagewinkelfehlers
sowie des zugehörigen geschätzten Bias stark ab.
Dies entspricht einer deutlichen Zunahme der Genauigkeit der Lageschätzung.
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Bezugszeichen
in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen
dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung
und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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Es
bezeichnen:
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- 1
- erste
Sensoreinheit
- 2
- zweite
Sensoreinheit
- 3
- Datenverarbeitungseinheit
- 4
- Stellantriebseinheit
- 11
- Drehratensensor
- 12
- Drehratensensor
- 13
- Drehratensensor
- 20
- Stützsensor
- 21
- weiterer
Stützsensor
- S1
- Sensorsignal
- S2
- Sensorsignal
- S3
- Signal
- S4
- Signal
- X
- Drehachse
- x
- Raumachse
- y
- Raumachse
- z
- Raumachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Wendel,
Jan: Integrierte Navigationssysteme, Sensordatenfusion, GPS und
inertiale Navigation; Oldenburg Verlag 2007” [0006]