DE102016110144A1 - Device and method for determining the position of a lander - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (200) zur Lagebestimmung eines Landers auf einem Himmelskörper mit gegenüber der Erde reduzierter Gravitation, wobei die Vorrichtung (200) drei Schwenkarme (202, 204, 206) mit zueinander rechtwinklig angeordneten Schwenkachsen aufweist, wobei jeder der Schwenkarme (202, 204, 206) mithilfe eines Leichtlauflagers verschwenkbar gelagert ist, wobei jeder der Schwenkarme (202, 204, 206) endseitig ein Schwenkmasseteil aufweist und wobei eine Position eines jeden Schwenkarms (202, 204, 206) mithilfe wenigstens eines Leichtlaufpositionssensors bestimmbar ist, und Verfahren zur Lagebestimmung eines Landers auf einem Himmelskörper mit gegenüber der Erde reduzierter Gravitation mithilfe einer derartigen Vorrichtung (200), wobei Signale der Leichtlaufpositionssensoren aller drei Schwenkarme (202, 204, 206) kombiniert ausgewertet werden.Device (200) for determining the position of a lander on a celestial body with reduced gravitation relative to the earth, the device (200) having three pivot arms (202, 204, 206) with mutually perpendicular pivot axes, each of the pivot arms (202, 204, 206 ) is pivotally supported by means of a smooth-running bearing, wherein each of the pivot arms (202, 204, 206) has a pivotable mass part at the end and wherein a position of each pivot arm (202, 204, 206) can be determined by means of at least one smooth-running position sensor, and method for determining the position of a lander on a celestial body with reduced gravity relative to the earth by means of such a device (200), wherein signals of the light-running position sensors of all three pivot arms (202, 204, 206) are evaluated in combination.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Landers auf einem Himmelskörper mit gegenüber der Erde reduzierter Gravitation. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Lagebestimmung eines Landers auf einem Himmelskörper mit gegenüber der Erde reduzierter Gravitation mithilfe einer derartigen Vorrichtung.The invention relates to a device for determining the position of a lander on a celestial body with reduced gravitation relative to the earth. In addition, the invention relates to a method for determining the position of a lander on a celestial body with reduced gravity relative to the earth by means of such a device.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung baulich und/oder funktional zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern.The invention has for its object to improve a device mentioned above structurally and / or functionally. In addition, the invention has for its object to improve a method mentioned above.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved with a device having the features of claim 1.
Der Himmelskörper kann ein astronomisches Objekt sein. Der Himmelskörper kann ein fester Himmelskörper sein. Der Himmelskörper kann eine gegenüber der Erde reduzierte Masse aufweisen. Der Himmelskörper kann eine gegenüber der Erde reduzierte Gravitationsbeschleunigung aufweisen. Der Himmelskörper kann ein gegenüber der Erde reduziertes Schwerefeld aufweisen. Der Himmelskörper kann ein Schwerefeld von ca. 1 × 10–9 g bis ca. 1 × 10–3 g, insbesondere von ca. 1 × 10–6 g, aufweisen. Der Himmelskörper kann ein Planet, insbesondere ein Gesteinsplanet, sein. Der Himmelskörper kann ein Zwergplanet sein. Der Himmelskörper kann ein Kleinkörper, wie Asteroid oder Komet, sein. Der Himmelskörper kann ein Mond ein. Der Lander kann eine Raumsonde sein. Der Lander kann dazu dienen, auf einem Himmelskörper zu landen, um dort Forschung zu betreiben. Der Lander kann dazu dienen, auf einem Himmelskörper weich zu landen. Der Lander kann ein Rover sein. Der Lander kann ein Roboter sein. Der Lander kann ein Gehäuse oder ein Chassis aufweisen. Die Lagebestimmung kann eine absolute Lagebestimmung sein. Die Lagebestimmung kann eine relative Lagebestimmung sein. Die Lagebestimmung kann eine Lagebestimmung bezüglich einer Oberfläche des Himmelskörpers sein. Die Lagebestimmung kann zum Bestimmen einer Orientierung des Landers bezüglich einer Oberfläche des Himmelskörpers dienen. Die Lagebestimmung kann dazu dienen, festzustellen, ob der Lander mit seiner Oberseite nach oben oder zur Oberfläche des Himmelskörpers verkippt ausgerichtet ist.The celestial body can be an astronomical object. The celestial body can be a solid celestial body. The celestial body may have a reduced mass relative to the earth. The celestial body may have a reduced gravitational acceleration relative to the earth. The celestial body may have a reduced gravitational field with respect to the earth. The celestial body may have a gravitational field of about 1 × 10 -9 g to about 1 × 10 -3 g, in particular of about 1 × 10 -6 g. The celestial body can be a planet, in particular a rock planet. The celestial body can be a dwarf planet. The celestial body can be a small body, such as asteroid or comet. The celestial body can become a moon. The lander can be a spacecraft. The lander may serve to land on a celestial body for research. The lander can serve to land softly on a celestial body. The lander can be a rover. The lander can be a robot. The lander may have a housing or chassis. The orientation can be an absolute orientation. The orientation can be a relative orientation. The orientation may be a positional determination with respect to a surface of the celestial body. The orientation may serve to determine an orientation of the lander relative to a surface of the celestial body. The orientation can be used to determine whether the lander is tilted with its top up or tilted to the surface of the celestial body.
Die Schwenkarme können jeweils eine stabartige Form aufweisen. Die Schwenkarme können jeweils eine vorbestimmte Armmasse aufweisen. Die Schwenkarme können jeweils zwei einander gegenüberliegende Enden aufweisen. Die Schwenkachsen können jeweils an einem Ende eines Schwenkarms angeordnet sein. Die Schwenkachsen können zueinander entsprechend den drei Achsen eines räumlichen kartesischen Koordinatensystems angeordnet sein. Die Schwenkmasseteile können jeweils eine vorgegebene Masse aufweisen. Die Schwenkmasseteile können jeweils eine vorgegebene Masseverteilung aufweisen. Die Schwenkachsen und die Schwenkmasseteile können jeweils an einander gegenüberliegenden Enden der Schwenkarme angeordnet sein. Die wenigstens einen Leichtlaufpositionssensoren können jeweils an den Schwenkachsen bzw. an den Leichtlauflagern angeordnet sein.The pivot arms may each have a rod-like shape. The pivot arms may each have a predetermined arm mass. The pivot arms may each have two opposite ends. The pivot axes may each be arranged at one end of a pivot arm. The pivot axes can be arranged to each other according to the three axes of a spatial Cartesian coordinate system. The swivel mass parts can each have a predetermined mass. The swivel mass parts can each have a predetermined mass distribution. The pivot axes and the pivot mass parts may each be arranged at opposite ends of the pivot arms. The at least one light-running position sensors can each be arranged on the pivot axes or on the smooth-running bearings.
Die Vorrichtung kann zum Einsatz in einer Atmosphäre eines Himmelskörpers dienen. Die Vorrichtung kann zum Einsatz bei gegenüber der Erde reduzierter Temperatur dienen. Die Vorrichtung kann zum Einsatz bei gegenüber der Erde erhöhter Temperatur dienen. Die Vorrichtung kann zum Einsatz bei gegenüber der Erde reduziertem Druck dienen. Die Vorrichtung kann zum Einsatz unter kosmischer Strahlung dienen. Die Vorrichtung kann dazu dienen, von der Erde zu einem anderen Himmelskörper transportiert zu werden.The device may be for use in an atmosphere of a celestial body. The device may be for use with reduced temperature relative to the earth. The device may be for use with elevated temperature relative to the earth. The device may be for use with reduced pressure relative to the earth. The device may be for use under cosmic radiation. The device may serve to be transported from the earth to another celestial body.
Das Leichtlauflager kann als Gleitlager ausgeführt sein. Das Leichtlauflager kann als Wälzlager ausgeführt sein. Das Leichtlauflager kann als Kugellager ausgeführt sein. Das Leichtlauflager kann als Keramiklager ausgeführt sein. Die Vorrichtung kann zur Lagerung der Schwenkarme Keramiklager aufweisen. Das Leichtlauflager kann ein gehäuse- oder chassisfestes erstes Lagerteil und ein Schwenkarmfestes zweites Lagerteil aufweisen. Das Leichtlauflager kann als schmierstofffreies Lager ausgeführt sein.The smooth running bearing can be designed as a sliding bearing. The smooth running bearing can be designed as a rolling bearing. The smooth running bearing can be designed as a ball bearing. The light-running bearing can be designed as a ceramic bearing. The device may have ceramic bearings for supporting the pivot arms. The low-friction bearing can have a housing-or chassis-fixed first bearing part and a Schwenkarmfestes second bearing part. The light-running bearing can be designed as lubricant-free bearing.
Die Vorrichtung kann zur Positionsbestimmung der Schwenkarme berührungslose Winkelgeber aufweisen. Die Vorrichtung kann zur Positionsbestimmung der Schwenkarme Resolver oder Zylindermagnete aufweisen. Die Resolver oder Zylindermagnete können halbseitige Nord-Süd-Magnetisierungen aufweisen. The device may have contactless angle encoders for determining the position of the swivel arms. The device can have resolvers or cylinder magnets for determining the position of the swivel arms. The resolver or cylinder magnets may have half-sided north-south magnetizations.
Die Vorrichtung kann zum Auswerten von Signalen der Leichtlaufpositionssensoren wenigstens einen Analog-Digital-Konverter aufweisen. Die Vorrichtung kann zum Auswerten von Signalen der Leichtlaufpositionssensoren wenigstens einen Mikrochip aufweisen. Die Vorrichtung kann zum Auswerten von Signalen der Leichtlaufpositionssensoren wenigstens ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder wenigstens einen Prozessor (Central Processing Unit/CPU) aufweisen.The device may have at least one analog-to-digital converter for evaluating signals of the light-running position sensors. The device may have at least one microchip for evaluating signals of the light-running position sensors. The device may have at least one Field Programmable Gate Array (FPGA) or at least one processor (Central Processing Unit / CPU) for evaluating signals of the light-running position sensors.
Eine Position eines jeden Schwenkarms kann mithilfe mehrerer Leichtlaufpositionssensoren bestimmbar sein. Die Vorrichtung kann für jeden Schwenkarm mehrere, insbesondere zwei, Leichtlaufpositionssensoren aufweisen.A position of each pivot arm can be determined by means of several light-running position sensors. The device can have several, in particular two, light-running position sensors for each swivel arm.
Außerdem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.In addition, the object underlying the invention is achieved with a method having the features of claim 9.
Zum kombinierten Auswerten können die Signale der Leichtlaufpositionssensoren aller drei Schwenkarme miteinander verknüpft werden, um eine räumliche Lage des Landers zu bestimmen. Eine Lage des Landers kann basierend auf Signalen der Leichtlaufpositionssensoren von zwei Schwenkarmen bestimmt werden. Die Signale der Leichtlaufpositionssensoren der Schwenkarme können jeweils auf Plausibilität geprüft werden. Bei einer Auswertung der Signale können unplausible Signale unberücksichtigt bleiben und eine Lagebestimmung kann mithilfe plausibler Signale erfolgen. Eine Lage des Landers kann bestimmt werden, wenn der Lander nach einer Landung eine Ruheposition eingenommen hat.For combined evaluation, the signals of the light-running position sensors of all three pivot arms can be linked together to determine a spatial position of the lander. A location of the lander may be determined based on signals from the low-rolling-position sensors of two swing arms. The signals of the light-running position sensors of the swivel arms can each be checked for plausibility. When evaluating the signals, implausible signals can be disregarded and a position determination can be carried out using plausible signals. A position of the lander can be determined if the lander has taken a resting position after a landing.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Verfahren zur Detektion der Lage bei μg-Kräften. Es kann ein Mechanismus bereitgestellt werden mit einem sehr leicht gelagerten Hebelarm, beispielsweise mit einem Keramiklager, an welchem ein Gewicht montiert ist. In einer Drehachse des Arms kann sich ein ebenfalls leichtgängiger Positionssensor befinden. Beispielsweise kann ein Resolver oder ein Zylindermagnet mit beispielhafter halbseitiger Nord-Süd-Magnetisierung verwendet werden. Direkt gegenüber des Magneten bzw. des Resolvers kann sich ein Chip befinden, mit dem ein erzeugtes Feld bestimmt werden kann und damit kann der Drehwinkel des Armes ermittelt werden. Dieser Chip kann Umweltbedingungen im Weltraum standhalten und dafür speziell entwickelt und explizit getestet sein.In summary, and in other words, the invention thus provides, inter alia, a method for detecting the position in the case of μg forces. A mechanism can be provided with a very easily mounted lever arm, for example with a ceramic bearing to which a weight is mounted. In an axis of rotation of the arm may also be a smooth-running position sensor. For example, a resolver or a cylinder magnet with exemplary half-sided north-south magnetization can be used. Directly opposite the magnet or the resolver may be a chip with which a generated field can be determined and thus the angle of rotation of the arm can be determined. This chip can withstand environmental conditions in space and be specially developed and explicitly tested for it.
Eine finale Auswertung der Position kann mit einer digitalen Logik erfolgen, beispielsweise mit einem Prozessor oder FPGA, die mittels eines Analog-Digital-Konverters die Ausgangsignale der Sensoren einlesen und bewerten kann.A final evaluation of the position can be done with a digital logic, for example with a processor or FPGA, which can read in and evaluate the output signals of the sensors by means of an analog-to-digital converter.
Zur Bestimmung der exakten Position können bei einem dreidimensionalen Lander drei Arme auf je eine Achse im Raum verteilt werden, sodass die Winkel x, y und z abgedeckt werden.To determine the exact position of a three-dimensional lander three arms can be distributed on one axis in space, so that the angles x, y and z are covered.
Wenn der Lander auf einer Oberfläche eines Himmelskörpers gelandet ist und eine Ruheposition eingenommen hat, können sich die Arme zum Gravitationsschwerpunkt des Himmelskörpers hindrehen, da eine Reibung sehr gering ist und ein Drehbereich der Arme nicht durch konstruktive Maßnahmen beschränkt wird.If the lander has landed on a surface of a celestial body and has assumed a resting position, the arms can turn towards the center of gravitation of the celestial body, since friction is very low and a range of rotation of the arms is not limited by design measures.
Beispielsweise können nun zwei Arme einen Winkel annehmen, über den eine absolute Lage durch ein Auslesen der Sensoren bestimmt werden kann. Der dritte Arm kann parallel zu einem Asteroiden liegen und somit keinen brauchbaren Wert anzeigen. Eine kombinierte Auswertung aller Sensoren im Raum kann ein Lagebild des Landers ergeben. Die Konstruktion kann einfach aufgebaut sein mit einem sehr flachen, kleinen und platzsparenden Messaufbau. Auch ein Gewicht sowie eine dazu benötigte Elektronik sind einfach umzusetzen. Zur Erhöhung einer Sicherheit können auch pro Raumachse mehrere Sensoren angebracht werden, die dann eine Auswertung durch die digitale Logik erleichtern.For example, two arms can now assume an angle over which an absolute position can be determined by reading out the sensors. The third arm may be parallel to an asteroid and thus not display a useful value. A combined evaluation of all sensors in the room can give a situational picture of the lander. The design can be simple with a very flat, small and space-saving measurement setup. Even a weight and a required electronics are easy to implement. To increase security, several sensors can also be mounted per spatial axis, which then facilitate evaluation by the digital logic.
Mit der Erfindung wird eine Lagebestimmung eines Landers auch auf einem Himmelskörper mit einem sehr geringen Schwerefeld ermöglicht. Nach einem Landen eines Landers kann seine Lage bestimmt werden. Es wird eine Lagebestimmung bei spezifischen Umweltbedingungen eines Himmelskörpers ermöglicht. Ein Bauraumbedarf wird reduziert. Ein Aufwand, wie Konstruktions- und/oder Herstellungsaufwand, wird reduziert. Eine Messsicherheit wird erhöht.With the invention, a position determination of a lander is also made possible on a celestial body with a very low gravitational field. After landing a lander, its location can be determined. It is possible to determine the position under specific environmental conditions of a celestial body. A space requirement is reduced. An effort, such as design and / or manufacturing costs, is reduced. Measuring reliability is increased.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to figures. From this description, further features and advantages. Concrete features of these embodiments may represent general features of the invention. Features associated with other features of these embodiments may also constitute individual features of the invention.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:They show schematically and by way of example:
Der Schwenkarm
Eine Länge des Schwenkarms
Das Leichtlauflager
Der Leichtlaufpositionssensor
Wenn der Lander nach seiner Landung auf einem Himmelskörper eine Ruheposition erreicht, wird der Lander regelmäßig mit einer Seite aufliegen, sodass ein dieser Seite zugeordneter Schwenkarm nicht zur Lagebestimmung herangezogen werden kann. Daher wird zunächst eine Plausibilität der Signale der Leichtlaufpositionssensoren überprüft und eine Lage gegebenenfalls auf Basis von nur zwei Schwenkarmen bestimmt.If the lander reaches a rest position on a celestial body after landing, the lander will regularly rest on one side so that a swivel arm associated with that side can not be used for orientation. Therefore, first, a plausibility of the signals of the light-running position sensors is checked and determines a position optionally based on only two pivot arms.
Zum Auswerten der Signale der Leichtlaufpositionssensoren dienen vorliegend ein Analog-Digital-Konverter und ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder Prozessor (Central Processing Unit/CPU).To evaluate the signals of the light-running position sensors are presently an analog-to-digital converter and a Field Programmable Gate Array (FPGA) or processor (Central Processing Unit / CPU).
Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Schwenkarmswivel arm
- 102102
- SchwenkmasseteilPivoting mass member
- 104104
- LeichtlauflagerLow friction bearings
- 106106
- LeichtlaufpositionssensorSmooth-running position sensor
- 200200
- Vorrichtungcontraption
- 202202
- Schwenkarmswivel arm
- 204204
- Schwenkarmswivel arm
- 206206
- Schwenkarmswivel arm
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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