DE102012222812A1

DE102012222812A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung von Unterwasserfahrzeugen

Info

Publication number: DE102012222812A1
Application number: DE201210222812
Authority: DE
Inventors: Ulrich Mangold; Hendrik Schwab; Marc-André Beyer
Original assignee: Raytheon Anschuetz GmbH
Current assignee: Raytheon Anschuetz GmbH
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt zur Regelung einer Steuergröße eines Fahrzeuges, insbesondere Unterwasserfahrzeuges, wobei aktuelle Werte von Steuergrößen und Messgrößen über den Zustand des Fahrzeugs eingelesen werden und eine aktuelle Struktur eines Mehrgrößenproblems bestimmt wird, um dann Zustandsgrößen des Fahrzeugs aus den eingelesenen aktuellen Werten basierend auf der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems zu rekonstruieren und einen optimalen statischen Arbeitspunkt basierend auf den rekonstruierten Zustandsgrößen zu bestimmen. Sodann wird eine zur Stabilisierung des Arbeitspunktes optimale Steuergrößenfolge bestimmt und ein zum aktuellen Zeitpunkt gültiger Wert der Steuergröße an das Fahrzeug basierend auf der optimalen Steuergrößenfolge ausgegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Computerprogrammprodukt zur Regelung des Rollwinkels und/oder rechtweisenden Kurses bzw. der Kursrate und/oder der Tauchtiefe bzw. der Tauchtiefenrate und/oder des Trimmwinkels von Fahrzeugen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen (im Folgenden U-Boote genannt).
Es gibt zwei Möglichkeiten, im Wasser zu schwimmen, sinken oder schweben:
Man verändert das Volumen des Körpers, und sein Gewicht bleibt gleich, oder man ändert das Gewicht, während sein Volumen gleich bleibt. Ein U-Boot nutzt die zweite Möglichkeit, indem Tauchzellen entweder mit leichter Luft oder mit schwererem Wasser gefüllt werden und damit ihr Gesamtgewicht verändern. Wird Wasser über Flutventile in die Tauchzellen gelassen, wird die Luft über die Entlüftungsventile herausgedrückt. Das U-Boot bekommt Untertrieb und sinkt. Ist die gewünschte Tiefe erreicht, werden die Entlüftungsventile geschlossen. Um aufzutauchen, wird Pressluft aus Druckflaschen in die Tauchzellen gepumpt und das Wasser über die Flutventile wieder herausgedrückt, das U-Boot bekommt Auftrieb und steigt wieder. Um das U-Boot auf ebenem Kiel zu halten, dienen Trimmzellen. Diese sind im Bug und am Heck des Bootes angeordnet. Ragt nun also der Bug zu weit nach oben, wird Wasser von den achteren Trimmzellen nach vorne in die Bugtrimmzellen gepumpt, damit das Boot hinten leichter und vorne schwerer wird.
1 zeigt eine Skizze eines typischen U-Bootes.
2 zeigt eine Skizze typischer Ruder am Heck eines U-Bootes.
Im statisch ausgetrimmten Zustand werden der Kurs sowie Tiefe und Trimm eines U-Bootes typischerweise durch zwei Höhenruder und ein Seitenruder in Bezug auf bspw. eine horizontale Referenz (HR) und eine feste Richtungsreferenz (FR) gesteuert. Dabei befinden sich das hintere Höhenruder, das um den Winkel δ_S nach unten oder oben gegenüber der Schiffslängsachse verschwenkbar ist, sowie das Seitenruder, das um den Winkel δ_R seitlich gegenüber der Schiffslängsachse verschwenkbar ist, am Heck des U-Bootes und das vordere Höhenruder, das um den Winkel δ_B nach unten oder oben gegenüber der Schiffslängsachse verschwenkbar ist, am Bug oder Turm, wobei die Platzierung des vorderen Ruders stark unterschiedlich bei verschiedenen Bootsklassen sein kann.
Einige moderne U-Boote verfügen über eine x-förmige Anordnung der Heckruder, wobei 4 Ruderflächen δ_1-4 unabhängig voneinander verschwenkt werden können. Diese bieten den Vorteil, dass zusätzliche Freiheitsgrade gewonnen werden, welche genutzt werden können um beispielsweise den Rollwinkel unabhängig vom Kurs- und Nickwinkel zu steuern.
Diese Aktuatoren eines U-Bootes (egal ob kreuz- oder x-förmige Anordnung) erzeugen Kräfte und Momente (X, Y, Z, K, M, N), sofern sie von Wasser ausreichender Geschwindigkeit umströmt werden. Die Kräfte und Momente bewirken, dass das U-Boot translativ oder rotatorisch beschleunigt wird, wodurch Geschwindigkeiten und Drehraten (u, v, W, p, q, r) entstehen. Über kinematische Beziehungen ändern sich durch die Geschwindigkeiten und Drehraten die Position sowie die Eulerwinkel des U-Bootes. Die Systemdynamik ändert sich typischerweise im Betrieb fortlaufend mit der Geschwindigkeit des U-Bootes, da zum einen die wirkenden Kräfte und Momente der Ruderflächen proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des umströmenden Wassers sind und zum anderen bremsende Reibungseffekte des Wassers von der Geschwindigkeit des U-Bootes abhängen. Die absolute maximale Auslenkung der Ruder ist physikalisch beschränkt, ebenso die Änderungsrate der Ruder. Diese Aktuatoreigenschaften (Steuergrößenbeschränkung und Steuergrößenratenbeschränkung) können sich im laufenden Betrieb des U-Bootes ändern (z.B. durch eine befohlene Schleichfahrt oder durch Blockierung der Ruder).
Zusammenfassend handelt es sich bei der Regelung von U-Booten um ein regelungstechnisches Problem mit Mehrgrößencharakter, variabler Systemdynamik und variablen Aktuatoreigenschaften.
Bekannte praktische Umsetzungen zur Regelung des rechtweisenden Kurses bzw. der Kursrate und/oder der Tauchtiefe bzw. der Tauchtiefenrate und/oder des Trimmwinkels eines U-Bootes verwenden klassische Regelungskonzepte, wie z.B. Zustandsregler oder PID-Regler. Um der sich ändernden Systemdynamik Rechnung zu tragen, werden typischerweise diskrete Geschwindigkeitsarbeitspunkte gewählt, für die in der Entwurfsphase die Parameter der Regelung bestimmt werden. Zur Behandlung der variablen Aktuatoreigenschaften werden typischerweise klassische Methoden, wie z.B. Anti-Windup-Methoden, eingesetzt.
Bei allen bekannten Ansätzen und Umsetzungen ist es notwendig die Parameter der Regelung während der Entwurfsphase so zu bestimmen, dass eine ausreichende Regelgüte unter Berücksichtigung der Aktuatoreigenschaften erzielt wird. Dies ist durch die sich ändernde Systemdynamik sehr aufwändig. Ändern sich die Aktuatoreigenschaften im laufenden Betrieb des Reglers, ohne dass eine entsprechende Rekonfiguration der Reglerparameter vorgenommen wird, kann sich die Regelgüte signifikant bis hin zur Instabilität reduzieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von sich im dreidimensionalen Raum bewegenden Fahrzeugen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen, unter Berücksichtigung variabler Systemeigenschaften im Betrieb des Reglers zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 bzw. 7 angegebenen Merkmalen gelöst.
Hiernach sind das Verfahrens und die Vorrichtung dazu ausgelegt, aktuelle Werte von Steuergrößen und Messgrößen über den Zustand des Fahrzeugs einzulesen und eine aktuelle Struktur eines Mehrgrößenproblems zu bestimmen, um dann Zustandsgrößen des Fahrzeugs aus den eingelesenen aktuellen Werten basierend auf der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems zu rekonstruieren und einen optimalen statischen Arbeitspunkt basierend auf den rekonstruierten Zustandsgrößen zu bestimmen. Sodann wird eine zur Stabilisierung des Arbeitspunktes optimale Steuergrößenfolge bestimmt und ein zum aktuellen Zeitpunkt gültiger Wert der Steuergröße an das Fahrzeug basierend auf der optimalen Steuergrößenfolge ausgegeben. Die Messgrößen können beispielsweise Ausgangsgrößen von Fahrzeugsensoren umfassen.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, eine prädiktive Regelung von Unterwasserfahrzeugen bereitzustellen, mittels der eine hohe Regelgüte unter Berücksichtigung der Veränderungen in der Systemdynamik sowie in den Aktuatoreigenschaften im Betrieb des Reglers erreicht werden kann.
Vorzugsweise wird das Einlesen der aktuellen Werte in Abtastschritten durchgeführt, wobei die optimale Steuergrößenfolge mit jedem Abtastschritt in Abhängigkeit neu eingelesener Werte der Steuer- und Messgrößen neu bestimmt wird.
Ferner kann das Bestimmen der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems ein Festlegen von zum aktuellen Zeitpunkt gültigen diskretisierten Zustandsraumdarstellungen abhängig von einem Systemzustandsvektor, einem Steuersignalvektor, einem Störsignalvektor, einem Messsignalvektor und vorbestimmten Abbildungsfunktionen umfassen.
Der Systemzustandsvektor und der Störsignalvektor können beispielsweise aus dem Messgrößenvektor und dem Steuergrößenvektor unter Benutzung der Abbildungsfunktionen rekonstruiert werden.
Als weitere Option können nicht gemessene Systemzustände oder Störsignale durch geschätzte Größen ersetzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine prinzipielle Skizze eines typischen U-Bootes, in dem die vorliegende Erfindung beispielhaft eingesetzt werden kann,
2 zeigt eine prinzipielle Skizze typischer U-Boot Heckruder,
3 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm eines Regelungsverfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
4 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Regelungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Der Erfindung wird nachfolgenden anhand von auf eine Regelung zur Stabilisierung eines U-Bootes gerichteten Ausführungsbeispielen beschrieben. Dazu werden zunächst die Bewegungsgleichungen für ein U-Boot beschrieben.
Koordinatensysteme
Zum Verständnis der Bewegungsgleichungen ist es notwendig vier Koordinatensysteme mit Achsen x, y und z zu definieren. Nachfolgende Definitionen sind aus Jan Wedel, „Integrierte Navigationssysteme", Oldenbourg Verlag, 2007 entnommen:
1. Inertialkoordinatensystem (Earth-centered inertial frame (i-frame))
Der Ursprung des Inertialkoordinatensystems befindet sich im Mittelpunkt des Rotationsellipsoids, der die Erdgestalt annähert. Die Koordinatenachsen sind fest in Bezug zu den Fixsternen. Die zⁱ-Achse des Inertialkoordinatensystems fällt mit der Rotationsachse der Erde zusammen, die xⁱ-Achse und die yⁱ-Achse liegen in der Äquatorebene.
2. Erdfestes Koordinatensystem (Earth-centered Earth-fixed frame (e-frame))
Das erdfeste Koordinatensystem besitzt denselben Ursprung wie das Inertialkoordinatensystem. Die Koordinatenachsen sind fest im Bezug zur Erde, wobei die z^e-Achse mit der zⁱ-Achse zusammenfällt. Die x^e-Achse ist bestimmt durch die Schnittgerade von Äquatorebene und der Ebene des Nullmeridians. Das erdfeste Koordinatensystem rotiert bezüglich des Inertialkoordinatensystems um die z^e-Achse mit der Erddrehrate.
3. Körperfestes Koordinatensystem (Body frame (b-frame))
Die Achsen des körperfesten Koordinatensystems sind fest im Bezug zum Fahrzeug und weisen in Fahrzeuglängsrichtung (x^b-Achse), nach rechts (y^b-Achse) und nach unten (z^b-Achse). Der Ursprung befindet sich im Fahrzeug.
4. Navigationskoordinatensystem (North-East-Down frame (n-frame))
Der Ursprung des Navigationskoordinatensystems fällt mit dem Ursprung des körperfesten Koordinatensystems zusammen. Die xⁿ- und die yⁿ-Achse weisen in Nord- bzw. Ostrichtung und liegen in der Tangentialebene an dem Erdellipsoid. Die zⁿ-Achse weist nach unten und ist parallel zur Schwerebeschleunigung.
Vektorielle Definitionen
Zur eindeutigen Bezeichnung von Geschwindigkeiten ν und Drehraten ω werden drei Indizes benötigt, die beispielhaft anhand des Geschwindigkeitvektors ν n / eb erklärt werden sollen: Der obere Index gibt an, in Koordinaten welchen Koordinatensystems die Größe gegeben ist. Bei diesem Beispiel steht der obere Index für das Navigationskoordinatensystem, die so bezeichnete Geschwindigkeit ist also in den Koordinatenrichtungen Norden, Osten und Unten angegeben. Die beiden unteren Indizes geben an, dass es sich um die Geschwindigkeit des körperfesten Koordinatensystems bezüglich des erdfesten Koordinatensystems handelt.
Bewegungsgleichungen
Ein U-Boot besitzt sechs Freiheitsgrade, bestehend aus drei translatorischen und drei rotatorischen Bewegungsmöglichkeiten. Die Position und Lage sowie Geschwindgkeiten und Drehraten eines U-Bootes lassen sich durch folgende Vektoren eindeutig beschreiben: η = [φ, λ, h, ϕ, θ, ψ]^T ν = [u, ν, w, p, q, r]^T
Dabei ist η der generalisierte Kinematikvektor und ν der generalisierte Dynamikvektor. η enthält Informationen über die Position des U-Bootes (Breitengrad φ, Längengrad λ, Tiefe h ) sowie Informationen über die Eulerwinkel (Rollwinkel ϕ, Nickwinkel θ, Kurswinkel ψ). ν enthält Informationen über die Ge schwindigkeit des U-Bootes (ν b / eb ) sowie Informationen über die Drehraten (ω b / nb )
Die Bewegung eines U-Bootes kann anhand von zwei vektoriellen Bewegungsgleichungen beschrieben werden: η . = J(η)ν . Mν . + C(ν)ν + D(ν)ν + g(η) = τ + g₀ + w
Dabei stellt die erste Gleichung die kinematische Bewegungen des U-Bootes im Raum dar, d.h. die Änderung von Position und Eulerwinkeln aufgrund von Geschwindigkeiten und Drehraten. Die zweite Gleichung beschreibt die Dynamik, d.h. die Änderung von Geschwindigkeiten und Drehraten aufgrund von Kräften und Momenten.
In der ersten Gleichung beschreibt J die Beziehung zwischen den Ableitungen der Positions- und Eulerwinkel und den translatorischen und rotatorischen Geschwindigkeiten. Eine detaillierte Beschreibung ist in Thor I. Fossen, „Marine Control Systems", Marine Cybernetics, 2002 zu finden.
In der zweiten Gleichung beschreibt M die Massenträgheitsmatrix. C(ν) ist die Coriolis- und Centripetalmatrix. Das U-Boot ist im Wasser verschiedenen äußeren Einflüssen, wie Wellengang, Strömungen, Wirbelablösungen, Auftriebs- und Gravitationskraft ausgesetzt. D(ν) beschreibt die ebenfalls geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungen, die durch Reibungen, Wellenbewegungen und Wirbelablösungen am Rumpf entstehen. Der Vektor g(η) beinhaltet die Gravitations- und Auftriebskräfte. Den auf das U-Boot wirkenden Kräften gegenüber stehen die positions- und geschwindigkeitsunabhängigen Größen: Die durch Steuereingänge (z.B. Ruder) erzeugten Kräfte und Momente τ, Veränderungen in den Ballasttanks werden im Vektor g₀ beschrieben und ω beinhaltet Störeinflüsse durch Wind, Wellen und Strömungen. Details zu allen Größen sind ebenfalls in Thor I. Fossen, „Marine Control Systems", Marine Cybernetics, 2002 zu finden.
Für die Entwicklung einer digitalen Regelung aus den o.a. Bewegungsgleichungen werden die Funktionen f und g eingeführt, welche durch geeignete Diskretisierung und gegebenenfalls Vereinfachung der Bewegungsgleichung entstehen.
Die Dynamik (Systemkinematik und Systemdynamik) eines zu regelnden U-Boot-Systems ist dann in allgemeiner, diskreter Zustandsraumdarstellung formulierbar: x_k+1 = f(x_k, u_k, d_k) y_k = g(x_k) mit dem Systemzustandsvektor x ∊ Rⁿ, dem Steuersignalvektor u ∊ R^m, dem Störsignalvektor d ∊ R^v, dem Messsignalvektor y ∊ R^T, sowie Abbildungen f(x, u, d): Rⁿ × R^m × R^v → Rⁿ und g(x): Rⁿ → R^r.
In Analogie zu den Bewegungsgleichungen finden sich die für die Regelung benötigten Positions-, Winkel-, Geschwindigkeits- und Drehratengrößen im Systemzustandsvektor wieder. Der Steuersignalvektor beinhaltet Größen wie z.B. Seiten- und Höhenruder. Äußere, nicht genau modellierbare Einflüsse wie z.B. Wirbelkräfte und Seegangskräfte werden im Störsignalvektor bedacht. Dieser beinhaltet ebenfalls gegebenenfalls eingeführte Vereinfachungen. Die Funktion f beschreibt, wie der Systemzustand von dem vorherigen Systemzustand, den Steuersignalen und den Störgrößen abhängig ist. Die Messwerte y lassen sich aus dem aktuellen Systemzustand über die Funktion g berechnen. Typische Messwerte bei einem U-Boot können die Tauchtiefe h, die Eulerwinkel [ϕ, θ, ψ] und die Vorwärtsgeschwindigkeit u sein, sind aber nicht darauf beschränkt.
Dem System bzw. Regler kann eine Diskretisierungszeit/Abtastzeit Δt zugrunde gelegt sein.
Der eingangsseitige Steuersignalvektor u_k und seine Änderungsrate Δu_k = u_k – u_k-1 können durch die nachfolgenden (vektorwertigen) Schranken begrenzt sein: u_k ∊[u – / k; u + / k] Δu_k ∊ [Δu – / k; Δu + / k]
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient die Regelung der Stabilisierung des Arbeitspunktes des U-Bootes, der definiert ist durch: (x_AP, u_AP, d_AP) → f(x_AP, u_AP, d_AP) = x_AP
Ein Arbeitspunkt kann beispielsweise eine gewünschte Tauchtiefe h_AP und gewünschte Eulerwinkel [ϕ, θ, ψ]_AP enthalten. Bei einer gewünschten Fahrt nach Osten wäre beispielsweise ψ_AP = 90°.
Das Ziel einer modellbasierten prädiktiven Regelung des U-Bootes ist somit die Bestimmung des Regelgesetzes u = σ(x, d) ∊ [u^–; u⁺] basierend auf der Lösung eines dynamischen Optimierungsproblems.
Dieses dynamische Optimierungsproblem ist zum Systemzeitpunkt t_k definiert durch:
unter Berücksichtigung von x_k+1 = f(x_k, u_k, d_k) x₀ = x(t_k) ≈ x ^(t_k) u₀ = u(t_k) d_k = d(t_k) ≈ d ^(t_k) u_i ∊ [u – / i; u + / i] Δu_i ∊ [Δu – / i; Δu + / i] x ~_i = x_i – x_AP u ~_i = u_i – u_AP
Dabei stellen x(t_k), d(t_k) und u(t_k) den Systemzustandsvektor, den Störsignalvektor und den Steuersignalvektor zum Systemzeitpunkt t_k dar. Typischerweise werden nicht alle Systemzustände und Störsignale gemessen, daher können sie durch geschätzte Größen x ^(t_k) und d ^(t_k) ersetzt werden. Die Rekonstruktion des Systemzustandsvektors x ^(t_k) und Störsignalvektors d ^(t_k) kann durch Beobachtung aus dem Messgrößenvektor y_k erfolgen. Ferner sind x ~_i und u ~_i die Abweichungen des Systemzustands- bzw. des Steuersignalvektors vom Arbeitspunkt zum Prädiktionszeitpunkt t_k + iΔt. Die Horizontlänge N bestimmt die Länge des Intervalls, auf dem die Zustandstrajektorie des Systems prädiziert wird.
Vorzugsweise wird im Gütefunktional der Integralanteil L(x ~, u ~): Rⁿ × R^m → R + / 0 und die Endzustandsgewichtung V(x ~): Rⁿ → R + / 0 quadratisch gewählt mit
wobei P, Q, R positiv definite Matrizen darstellen.
Nach Lösung des dynamischen Optimierungsproblems wird zum Systemzeitpunkt t_k lediglich der erste Steuersignalvektor u(t_k) = u₁ als Steuersignal an die Regelstrecke ausgegeben.
Dieses Optimierungsproblem wird in jedem Abtastschritt durchgeführt.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur modellbasierten Regelung von U-Booten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
3 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens in mehreren Stufen bzw. Schritten dargestellt.
Im Schritt 02 werden die zum aktuellen Zeitpunkt t_k gültigen Werte für den Messgrößenvektor y_k und Steuersignalvektor u_k eingelesen. Die Messgrößen entstammen wasserfahrzeugtypischen Sensoren, wie z.B. Trägheitsnavigationsanlagen, GNSS (Global Navigation Satellite System) Empfängern, Kompassen, Logs, Rotationssensoren, Tiefensensoren, oder anderen Sensoren, welche Informationen über den Zustand eines U-Bootes liefern.
Im Schritt 04 wird die aktuelle Struktur des Mehrgrößenproblems bestimmt, d.h. es werden die zum aktuellen Zeitpunkt t_k gültigen Abbildungen x_k+1 = f(x_k, u_k, d_k) und y_k = g(x_k) festgelegt. Dieser Schritt erlaubt es die zeitliche Veränderung der Systemdynamik von U-Booten zu berücksichtigen.
Im Schritt 06 werden die zum aktuellen Zeitpunkt t_k gültigen Werte für den Zustandsvektor x ^(t_k) und den Störgrößenvektor d ^(t_k) aus den Messgrößen y_k und Steuergrößen u_k rekonstruiert. Dies ist notwendig, da typischerweise nicht alle Zustandsgrößen und Störgrößen gemessen werden. Im dynamischen Optimierungsproblem werden dann x(t_k) bzw. d(t_k) durch x ^(t_k) bzw. d ^(t_k) ersetzt. Die Rekonstruktion erfolgt durch einen Zustandsgrößenbeobachter unter Benutzung der in Schritt 04 bestimmten Abbildungsfunktionen f und g.
Im Schritt 08 wird der optimale statische Arbeitspunkt (x_AP, u_AP, d ^_k) → f(x_AP, u_AP, d ^_k) = x_AP bestimmt. Aufgabe des Regelungssystemsgemäß den Ausführungsbeispielen ist es, das U-Boot an diesem Arbeitspunkt zu stabilisieren.
Im Schritt 10 wird die optimale Steuersignalvektorfolge [u₁ ... u_N-1] durch Lösung des dynamischen Optimierungsproblems bestimmt.
Im Schritt 12 wird aus der in Schritt 10 berechneten Steuersignalvektorfolge der zum Zeitpunkt t_k gültige optimale Steuersignalvektor u_k = u₁ bestimmt und zur weiteren Verarbeitung an das U-Boot ausgegeben.
Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung zur modellbasierten Regelung von U-Booten unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
4 zeigt ein Blockdiagram der Regelungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses beinhaltet ein Messsystem 14 zur Messung von Eigenschaften des U-Bootes 42. Ein Detektor 16 detektiert Signale des U-Bootes 42, welche Informationen über die Zustände des U-Bootes 42 beinhalten. Der Detektor 16 und/oder das Messsystem 14 entsprechen einer Sammlung von wasserfahrzeugtypischen Sensoren, wie z.B. Trägheitsnavigationsanlagen, GNSS (Global Navigation Satellite System) Empfängern, Kompassen, Logs, Rotationssensoren, Tiefensensoren, oder anderen Sensoren, welche Informationen über den Zustand des U-Bootes 42 liefern. Eine Verbindung 18 verbindet den Detektor 16 mit dem Messsystem 14, um eine Signalübertragung vom Detektor 16 zum Messsystem 14 zu realisieren. Hier sei angemerkt, dass die Verbindung 18 und alle im Folgenden genannten Verbindungen eine Kombination von drahtgebundenen, drahtlosen oder anderen Verbindungstypen darstellen können.
Eine Verbindung 20 verbindet das Messsystem 14 mit einer Signalprozesseinheit 22 zur Übertragung der über das Messsystem 14 erhaltenen Informationen über das U-Boot 42. Die Signalprozesseinheit 22 beinhaltet eine zentrale Prozesseinheit oder CPU (Central Processing Unit) 24 zur Verarbeitung von Signalen geliefert vom Messsystem 14 über die Verbindung 20. Die CPU 24 kann eine Recheneinheit wie z.B. ein Mikroprozessor, ein Mehrfachprozessor oder analoger Rechner sein, ist aber nicht auf diese Beispiele beschränkt. Die Signalprozesseinheit 22 kann ferner einen maschinenlesbaren Speicher 26 aufweisen zur Speicherung von Signalen empfangen vom Messsystem 14, zur Speicherung von Zwischen- und Endresultaten der CPU 24 und zur Speicherung von Programminstruktionen für die CPU 24. Der maschinenlesbare Speicher 26 kann aus einer Kombination von optischen und elektronischen Speichermedien bestehen und darf eine Kombination aus beschreibbaren (read-write) und schreibgeschützten (read-only) Speichermedien sein.
Eine Verbindung 30 verbindet die Signalprozesseinheit 22 mit einer optionalen Anzeigeeinheit 28 zur Übermittlung von Signalen zur Anzeige an der Anzeigeeinheit 28. Ferner verbindet eine Verbindung 34 die Signalprozesseinheit 22 mit einer optionalen Eingabeeinheit 32 zur Übermittlung von Signalen an die Signalprozesseinheit 22, die vom Benutzer an der Eingabeeinheit 32 eingegeben werden. Die Eingabeeinheit darf eine Kombination aus Eingabeeinheiten wie z.B. Maus, Tastatur, oder jedem anderen Gerät zur Übermittlung von Signalen oder Informationen eines Menschen an die Signalprozesseinheit 22 sein.
Eine Verbindung 38 verbindet die Signalprozesseinheit 22 mit einem Reaktionssystem 36 zur Übermittlung von Signalen oder Informationen von der Signalprozesseinheit 22 an das Reaktionssystem 36. Das Reaktionssystem 36 reagiert auf Signale empfangen von der Signalprozesseinheit 22 über die Verbindung 38, indem es eine Funktion ausführt, welche von dem durch die Signalprozesseinheit 22 berechnetem Signal abhängig ist. Die Reaktion des Reaktionssystems 36 darf den Zustand des Objektsystems 42 beeinflussen.
Die Signalprozesseinheit 22 empfängt die Informationen des Messsystems 14 und berechnet daraus ein oder mehrere Steuersignale für das U-Boot 42 gemäß dem unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Verfahren, wobei das Einlesen aktueller Werte über das Messsystem 14 und die Verarbeitung bis zur Bestimmung der optimalen Steuergrößenfolge in der Signalprozesseinheit 22 erfolgt. Die Resultate der Signalprozesseinheit 22 werden dann an das Reaktionssystem 36 übertragen. Das Reaktionssystem 36 kann auf diese Steuersignalinformation reagieren, um den gewünschten Arbeitspunkt für das gesteuerte U-Boot 42 zu stabilisieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Jan Wedel, „Integrierte Navigationssysteme“, Oldenbourg Verlag, 2007 [0025]
Thor I. Fossen, „Marine Control Systems“, Marine Cybernetics, 2002 [0035]
Thor I. Fossen, „Marine Control Systems“, Marine Cybernetics, 2002 [0036]

Claims

Verfahren zur Regelung eines Zustands eines Fahrzeuges, insbesondere Unterwasserfahrzeuges, mit den Schritten: – Einlesen aktueller Werte von Steuergrößen und Messgrößen über den Zustand des Fahrzeugs (42); – Bestimmen einer aktuellen Struktur eines Mehrgrößenproblems; – Rekonstruieren von Zustandsgrößen des Fahrzeugs (42) aus den eingelesenen aktuellen Werten basierend auf der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems; – Bestimmen eines optimalen statischen Arbeitspunktes basierend auf den rekonstruierten Zustandsgrößen; – Bestimmen einer zur Stabilisierung des Arbeitspunktes optimalen Steuergrößenfolge; und – Ausgeben eines zum aktuellen Zeitpunkt gültigen Werts der Steuergröße an das Fahrzeug (42) basierend auf der optimalen Steuergrößenfolge.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einlesen der aktuellen Werte in Abtastschritten durchgeführt wird und die optimale Steuergrößenfolge mit jedem Abtastschritt in Abhängigkeit neu eingelesener Werte der Steuer- und Messgrößen neu bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bestimmen der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems ein Festlegen von zum aktuellen Zeitpunkt gültigen diskretisierten Zustandsraumdarstellungen x_k+1 = f(x_k, u_k, d_k) und y_k = g(x_k) mit einem Systemzustandsvektor x ∊ Rⁿ, einem Steuersignalvektor u ∊ R^m, einem Störsignalvektor d ∊ R^ν, einem Messsignalvektor y ∊ R^T sowie Abbildungen f(x, u, d): Rⁿ × R^m × R^v → Rⁿ und g(x): Rⁿ → R^r umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Systemzustandsvektor und der Störsignalvektor aus dem Messgrößenvektor und dem Steuergrößenvektor unter Benutzung der Abbildungen rekonstruiert werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei nicht gemessene Systemzustände oder Störsignale durch geschätzte Größen ersetzt werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Messgrößen Ausgangsgrößen von Fahrzeugsensoren umfassen.
Vorrichtung zur Regelung eines Zustands eines Fahrzeuges (42), insbesondere Unterwasserfahrzeuges, mit: – einer Eingabeeinrichtung (14) zum Einlesen aktueller Werte von Steuergrößen und Messgrößen über den Zustand des Fahrzeugs (42); – einer Signalverarbeitungseinrichtung (22) zum Bestimmen einer aktuellen Struktur eines Mehrgrößenproblems, Rekonstruieren von Zustandsgrößen des Fahrzeugs (42) aus den eingelesenen aktuellen Werten basierend auf der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems, Bestimmen eines optimalen statischen Arbeitspunktes basierend auf den rekonstruierten Zustandsgrößen, und Bestimmen einer zur Stabilisierung des Arbeitspunktes optimalen Steuergrößenfolge; und – einer Reaktionseinrichtung (36) zum Ausgeben eines zum aktuellen Zeitpunkt gültigen Werts der Steuergröße für das Fahrzeug (42) basierend auf der optimalen Steuergrößenfolge.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Eingabeeinrichtung ein Messsystem (14) mit Fahrzeugsensoren umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Fahrzeugsensoren zumindest eines aus einer Trägheitsnavigationsanlage, einem Satellitennavigationsempfänger, einem Kompass, einem Log, einem Rotationssensor oder einem Höhen- oder Tiefensensor umfassen.
Computerprogrammprodukt mit Codemitteln zum Erzeugen der Schritte nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 bei dessen Ausführung auf einer Prozessoreinrichtung (22).