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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von fluiddynamischen und/oder optischen Störgrößen zwischen mobilen oder stationären Objekten und einem Umgebungsfluid.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein mobiles oder stationäres Objekt zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Die vorliegende Erfindung zielt neben Luft-, Land- und Wasserfahrzeugen als beispielhafte mobile Objekte auch auf stationäre Objekte wie etwa in ihrem Einbauzustand umströmte Bauelemente ab. Ein Anwendungsfall sind dabei Flugzeuge und Wasserfahrzeuge, deren Fortkommen maßgeblich von dem jeweiligen Umgebungsfluid, sei es Luft oder Wasser, beeinflusst wird. Wegen der speziellen Strömungs- und Sichtbedingungen unter Wasser und der dort herrschenden Beeinträchtigungen, betrifft eine Ausführungsform der Erfindung Unterwasserfahrzeuge. Diese werden bemannt und unbemannt eingesetzt, wobei letztere naturgemäß den Vorteil mit sich bringen, dass sie wesentlich größere Tauchtiefen und erheblich längere Tauchzeiten bis zu mehreren Monaten erreichen und dabei in Regionen vordringen können, in die kein bemanntes Tauchboot gelangen kann. Gegenwärtig sind vor allem solche auch als AUV (Autonomous Underwater Vehicles) bezeichnete Fahrzeuge Gegenstand diverser Forschungsobjekte, die sich mit den zentralen Problemen und Aufgabenstellungen rund um diese Wasserfahrzeuge auseinandersetzen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die simultane Lokalisation und Kartopraphie (SLAM), die zwar im zweidimensionalen Fall mittlerweile weitestgehend umgesetzt ist, in dreidimensionalen Wasserumgebungen hingegen noch nicht. Zurzeit erfolgt die Navigation und Lokalisation von Unterwasserfahrzeugen im Wesentlichen über Sonare, Trägheitsnavigationssysteme (z. B. Kreiselkompasse) und GPS, soweit dessen Einsatz möglich ist. Sonare weisen eine recht geringe Ortauflösung auf. Trägheitsnavigationssysteme sind entweder zu groß für ein AUV oder sie sind von der Genauigkeit her nicht ausreichend für die Langzeitnavigation, sodass die Ist-Position mit der Zeit erheblich von der Soll-Position abweicht. Dies liegt insbesondere daran, dass GPS-Signale nur eine sehr begrenzte Reichweite unter Wasser haben, sodass Fahrzeuge in mehr als 10 m Tiefe diese nicht verwenden können. Zusätzlich treten im Wasser Strömungen auf, die nicht erfasst werden können, die aber zusätzlich Einfluss auf die Bewegung eines AUV ausüben. Aufgrund der geringen Auflösung von Sonaren wurde und wird mit optischen Systemen experimentiert, weil Kameras im Prinzip über eine ausreichende Auflösung verfügen. Die Beschaffenheit von Wasser als optisches Medium führt zu weitergehenden Problemen. So filtert Wasser einige Wellenlängen des Lichts überproportional, vor allem die Farbe rot. Insgesamt ist die Absorbtionsrate stark von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Des Weiteren kann sich Licht nicht so ausbreiten, wie dies in der Luft der Fall ist. Die maximale Reichweite liegt bei etwa 200 m. Danach ist das Licht vollständig absorbiert. Bedingt durch die Tatsache, dass die Absorbtionsrate stark von der Wellenlänge des Lichts abhängt, sehen Objekte im Wasser anders aus als unter Sonnenlicht. Darüber hinaus führen Schwebepartikel und die Verschmutzung des Wassers zu einer zusätzlichen Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften des Wassers.
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Damit stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Bestimmung von fluiddynamischen und optischen Störgrößen zwischen mobilen oder stationären Objekten und einem Umgebungsfluid und ein entsprechendes Objekt z. B. in Form eines Fahrzeugs zu schaffen, bei denen die aktuell herrschenden Störgrößen erfasst und berücksichtigt werden können.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in Bezug auf das Verfahren dadurch gelöst, dass im Umgebungsfluid des Objektes Messdaten erfasst und unter Berücksichtigung der im Umgebungsfluid des Objektes herrschenden fluiddynamischen und/oder optischen Verhältnisse zu Referenzwerten umgerechnet werden.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden im Umgebungsfluid des Objektes, also etwa im Umgebungswasser eines Flugzeugs, eines Unterwasserfahrzeugs oder von Bauelementen, z. B. Rohren, Messdaten erfasst und durch Herausrechnen statischer Parameter auf ein Referenzniveau gebracht. Auf diese Weise wird ein Profil der absoluten Werte auf Referenzniveau erstellt, was das Ergreifen von geeigneten Steuerungsmaßnahmen ermöglicht bzw. ein weitestgehend unverfälschtes Bild über die aktuelle Positionierung des AUV vermittelt, da eben die zum aktuellen Zeitpunkt im Umgebungswasser des Unterwasserfahrzeugs herrschenden fluiddynamischen respektive optischen Verhältnisse einkalkuliert werden, um dann etwa eine verbesserte Navigation zu generieren.
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Insbesondere ist dabei daran gedacht, dass die Messdaten algorithmisch korreliert werden, dass also die erfassten Werte in Bezug auf die im Umgebungsfluid auf ein Luft-, Land- oder Wasserfahrzeug einwirkenden fluiddynamischen Kräfte, des mechanischen Antriebs, des Zielvektors und/oder der Bewegungstrajektorie rechnergestützt algorithmisch korreliert werden. Gleiches gilt für den Fall, dass das Fluid auf stationäre Systeme, Objekte trifft, etwa auf Bauelemente oder Teile von Bauwerken und diese entsprechend umströmt.
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Möglichst exakte Ergebnisse können erreicht werden, wenn an mehreren Stellen an der Oberfläche des Objektes der herrschende Absolutdruck im Umgebungsfluid erfasst wird, um möglichst repräsentative Ergebnisse zu generieren. Referenzwert ist dabei der Referenzdruck. Aus den bei dieser Messung erhaltenen Informationen lassen sich dann die weiteren Strömungsverhältnisse ableiten und umrechnen. Dabei ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren in besonders vorteilhafter Weise die Messung an der Oberfläche des Fahrzeugs, um keine Beeinträchtigung der Messergebnisse durch Einbauten zu riskieren. Zu solchen Messungen wiederum eignen sich Sensoren besonders gut.
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Die fluiddynamischen Einflüsse auf Objekte sind umfangreich, gerade die im Umgebungswasser eines Unterwasserfahrzeugs oder eines Bauwerkes herrschenden Belastungen. Dabei konzentriert man sich darauf, dass über Sensoren die im Umgebungsfluid im Bereich der Oberfläche des Objektes herrschenden Normalspannungen und/oder Schubspannungen erfasst werden. In diesem Zusammenhang wird ein mathematisches Verfahren implementiert, um die Korrelation von Druck und Schubspannung zu generieren.
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Die Ausbildung des Sensors beruht auf der Hypothese, dass die Veränderung von Geschwindigkeitsgradienten in einer Flüssigkeit in der Nähe dieses Sensors die Änderungen in der Eigenfrequenz des umgebenden Fluids verursachen, wobei auch eventuelle Änderungen in der Viskosität oder der Dichte des Fluids Berücksichtigung finden. In diesem Sinne ist der Vorschlag zu verstehen, wonach die Messdaten mittels Sensoren erfasst werden, welche einen Sender zur Abgabe von Schwingungen und/oder einen Empfänger zum Empfang von Schwingungen aufweisen. Schwingungen werden also initiiert und anschließend wieder erfasst, um die Beeinflussung der Schwingungen im Umgebungsfluid des Objektes auszuwerten. Auf diese Weise kann die Umströmung des Fahrzeugs berechnet und dann z. B. bei der Navigation entsprechend gewürdigt werden. Ebenso ist ein derartiger Vorschlag dazu geeignet, Messdaten mittels Sensoren eines strömenden Fluids auf stationäre Systeme zu erfassen.
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In einer ersten Ausführungsform sind Sensoren so ausgebildet, dass sie sowohl einen Sender als auch einen Empfänger aufweisen, sodass durch den Sender in das Fluid abgegebene definierte Schwingungen durch den Empfänger aufgenommen und Differenzen in Bezug auf die Schwingungscharakteristik erfasst und ausgewertet werden. Diese nach sehr kurzer Zeit über den Empfänger registrierten Schwingungen unterscheiden sich von denen ursprünglich ausgesandten. Für diese Differenzen sind Änderungen im Feld der Geschwindigkeitsgradienten verantwortlich, wobei der Zusammenhang zwischen den Geschwindigkeitsgradienten, der Viskosität und der Schubspannung durch die Physik eindeutig beschrieben ist.
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Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sieht so aus, dass der Sender auch als Empfänger genutzt werden kann. In diesem Fall ist vorgesehen, dass die Frequenz des Senders so moduliert wird, dass über den Sensor die Eigenfrequenz des Fluids ermittelt werden kann, d. h. über Sensor bzw. Sender wird die Eigenfrequenz des Fluids gefunden. Dies wiederum setzt die Fähigkeit des Sensors zur Abtastung von unterschiedlichen Frequenzbereichen voraus. In der Nähe des Resonanzbereiches steigt die Amplitude der Schwingungen sehr stark an und kennzeichnet dadurch die Charakteristik der Strömung.
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Zweckmäßigerweise zielt eine weitere Ausführungsform der Erfindung darauf ab, dass die Eigenfrequenz des Fluids beispielsweise durch wiederholte Modulation ermittelt wird, d. h. über den Sensor erfolgt eine Art Herantasten an die Eigenfrequenz in mehreren Versuchen, bis diese zumindest annähernd erreicht ist.
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Bereits angesprochen wurde, dass zentrale Werte, um deren Ermittlung es bei der Bestimmung von den Störgrößen im Rahmen der Navigation von mobilen Objekten, konkret von Unterwasserfahrzeugen geht, Geschwindigkeitsgradienten, Viskosität und Dichte des umgebenden Fluids sind, d. h. dass die Differenzen von Geschwindigkeitsgradienten, Viskosität und/oder Dichte des Fluids erfasst werden, indem die Schwingungen in der beschriebenen Weise abgegeben, empfangen und ausgewertet werden.
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Eine alternative Ausführung der Erfassung der fluiddynamischen Verhältnisse in der unmittelbaren Umgebung von mobilen Objekten wie Wasser-, insbesondere von Unterwasserfahrzeugen oder stationären Objekten wie Bauelementen oder Bauwerksteilen baut auf eine optische Lösung, bei der die Absorption des Lichtes im Fluid bei der Ermittlung der optischen Störgröße berücksichtigt wird. Dabei wird zur Erfassung der optischen Messdaten mindestens eine Lichtquelle mit einer definierten Wellenlänge eingesetzt. Die Farbverfälschung im tiefen Wasser wird dabei mittels mathematischer Algorithmen filtriert. Die definierte Wellenlänge ist charakterisiert durch eine besonders hohe Reichweite im Wasser. Die mit dieser festgelegten Wellenlänge beleuchteten Objekte lassen sich auf die in der Luft sichtbaren Farben mittels Algorithmen dann zu Referenzwerten umrechnen. Gerade die Wellenlängen in Salzwasser im Bereich von 450–550 nm sind hierbei von besonderem Interesse.
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Es ist auch möglich, eine weiße Lichtquelle zu verwenden. Weiter entfernte Objekte sehen dann ebenfalls aufgrund der Absorbtion entsprechend farblich verändert aus. Eine Berechnung der tatsächlichen Farbe ist in derselben Weise möglich wie bei der Verwendung der Lichtquelle mit einer definierten Wellenlänge. Das Verfahren lässt sich auch für andere Lichtwellenlängen erweitern und entsprechend kalibrieren.
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Die mittels einer Kamera erstellten Unterwasserbilder werden unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Umgebungslichts in ein Bild im Tageslicht umgerechnet. Die mit der ausgewählten Wellenlänge beleuchteten Objekte werden umgerechnet, wobei Parameter wie Wassertiefe, Sonnenlicht, Wetter etc. einbezogen und eingerechnet werden.
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Die Bildaufnahme und -reproduktion für große Wassertiefen umfasst ferner den Schritt, dass die Umrechnung für jedes Pixel oder eine Gruppe von Pixeln des Bildes durchgeführt wird. D. h. es erfolgt eine Umrechnung jedes Pixels z. B. eines Unterwasserbildes mit dem Ziel, die Referenzwerte zu erhalten, die bei Bildaufnahmen in üblicher Umgebung (Luft, Sonnenlicht) vorherrschen, was durch die Berücksichtigung der Pixel als denkbar kleinste Einheit dann auf denkbare exakte Weise möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in Bezug auf das mobile oder stationäre Objekt dadurch gelöst, dass das Objekt mit einer Mehrzahl von Sensoren ausgerüstet ist, welche zur Erfassung des an der Oberfläche des Objektes herrschenden Absolutdrucks und/oder zum Senden und/oder Empfangen definierter Schwingungen in das Fluid dienen.
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Ein solches Objekt, etwa Fahrzeug in Form eines Flugzeugs oder eines AUV ist in beschriebener Weise an seiner Außen- bzw. Oberfläche mit Sensoren an einer Mehrzahl von Messpunkten bestückt. Die Sensoren können einen Sender und einen Empfänger oder nur einen ebenfalls zum Empfang von Schwingungen geeigneten Sender aufweisen. Über den Sender werden ansonsten Schwingungen abgegeben und über den Empfänger erfasst, um aufgrund der Schwingungscharakteristik die Referenzwerte zu berechnen. Alternativ dazu kann über nur mit Sendern ausgerüstete Sensoren die Eigenfrequenz des Fluids moduliert werden. Auf diese Weise können die auf das mobile oder stationäre Objekt wirkenden fluiddynamischen Kräfte erfasst und so ausgewertet werden, dass eben bei Einkalkulierung der gegebenen Verhältnisse eine weitestgehend exakte Bestimmung der Daten möglich ist. Die exakte Bestimmung der Daten ist mit dem Sender oder der Sender/Empfänger-Einheit ebenfalls dann möglich, wenn eine Fluidbewegung ausgelöst wird und diese stationäre Systeme umströmt.
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Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Verfahren zur Bestimmung der fluiddynamischen und optischen Störgrößen zwischen einem mobilen oder stationären Objekt einerseits und seinem jeweiligen Umgebungsfluid andererseits geschaffen ist, bei dem die herrschenden Störgrößen ausgewertet und beispielsweise der Steuerung zu Grunde gelegt werden können. Denkbar sind dabei ein fluiddynamischer und ein optischer Ansatz z. B. im Rahmen der Navigation von Unterwasser- oder Luftfahrzeugen oder bei umströmten statischen Objekten wie Rohren oder anderen Bauelementen mit deren äußeren und inneren Oberflächen. Bei erstgenanntem Ansatz im Rahmen eines Verfahrens zur Bestimmung der Umgebungsströmung erfolgt zunächst eine Messung des Absolutdrucks an mehreren definierten Stellen an der Oberfläche des Objektes und es wird ein Profil dieses Absolutdrucks erstellt. Anschließend wird der statische Druck herausgerechnet, d. h. es wird ein Referenzwert ermittelt, mit anderen Worten, das Profil des Absolutdrucks auf einem bestimmten Referenzniveau. Auf diese Weise wird mit einer geeigneten Rechnereinheit dann der Geschwindigkeitsvektor der Umgebungsströmung ermittelt und die Störgrößen können bestimmt und in entsprechender Weise einberechnet werden. Bei einem optischen Verfahren zur Umwandlung der Unterwasserbilder wird zunächst das Umgebungslicht erfasst. Anschließend erfolgt eine Aktivierung einer Lichtquelle mit einer definierten Wellenlänge und über eine Kamera werden Bilder z. B. unterhalb der Wasseroberfläche aufgenommen, deren Ergebnis Bilder mit entsprechender Farbverfälschung sind. Nach einer Umrechnung der Farbwerte für jedes Pixel des aufgenommenen Bildes ist das Ergebnis letztlich ein Bild ohne Farbverfälschung.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:
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1 einen Sensor mit Sender und Empfänger,
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2 einen Sensor mit Sender/Empfänger
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3 ein Diagramm für das Verfahren zur Bestimmung der Umgebungsströmung und
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4 ein Diagramm für das Verfahren zur Umwandlung von Unterwasserbildern.
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1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Sensor 1 in der Außenwandung 6 eines Unterwasserfahrzeugs. Der Sensor 1 weist einen Sender 2 und einen Empfänger 3 auf und steht über die Leitung 4 in Kombination mit einer Rechnereinheit 5. Von dem Sender 2 abgegebene Schwingungen werden von dem Empfänger 3 erfasst und unter Auswertung der Schwingungscharakteristika in entsprechende Referenzwerte umgerechnet.
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In 2 ist ein Sensor 1 in der Außenwandung 6 des Unterwasserfahrzeugs dargestellt. Dieser Sensor 1 verfügt nur über einen Sender/Empfänger 2, über den die Eigenfrequenz des Fluids durch wiederholte Modulation ermittelt wird, indem über den Sender 2 ein Herantasten an die Eigenfrequenz des Fluids in dem das Unterwasserfahrzeug umgebenden Bereich durchgeführt wird.
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Schließlich zeigen die 3 und 4 jeweils ein Diagramm zur Veranschaulichung der Schritte im Rahmen des Verfahrens zur Bestimmung der Umgebungsströmung bzw. zur Umwandlung der Unterwasserbilder.
