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Die Erfindung betrifft den Bereich von unbemannten autonom agierenden Unterwasserfahrzeugen, die auch „autonomes underwater vehicles (AUV)” genannt werden.
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Autonome Unterwasserfahrzeuge sind in der Regel unbemannt und bewegen sich autonom. Das heißt, dass keine externe Steuerung, beispielsweise mittels einer Funkverbindung oder einer Glasfaserkabelverbindung, für das Unterwasserfahrzeug vorgesehen ist und das Unterwasserfahrzeug somit auf interne Sensoren angewiesen ist, um vorgegebene Kurse abzufahren oder einen vordefinierten Zielpunkt zu erreichen.
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Hierzu weisen derartige autonome Unterwasserfahrzeuge üblicherweise ein Trägheitsnavigationssystem oder ein inertiales Navigationssystem, das auch „inertial navigation system (INS)” genannt wird, auf. Dieses System umfasst Beschleunigungs- und Drehratensensoren, um Beschleunigungen und Drehraten des Unterwasserfahrzeugs zu detektieren und anhand dieser Daten, die kontinuierlich aufgezeichnet werden, die geographische Position des Unterwasserfahrzeugs festlaufend zu bestimmen.
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Hierbei unterliegt ein inertiales Navigationssystem einer sogenannten Drift der Sensoren, deren Fehlereinfluss sich im Laufe der Fortbewegung kumulativ auswirkt. Daher müssen die geographischen Positionen, die mit dem intertialen Navigationssystem detektiert werden, zumindest im Falle, dass eine möglichst präzise Navigation des Unterwasserfahrzeugs gewünscht ist, korrigiert werden. Hierzu sind einerseits mathematische Verfahren, die jedoch eine verhältnismäßig schlechte Korrektur der geographischen Positionen ermöglichen, und andererseits das gelegentliche Auftauchen zum Empfangen von GPS-Daten zur Korrektur der geographischen Positionen bekannt. Insbesondere beim Auftauchen ist zwar eine verhältnismäßig gute Korrektur der geographischen Positionsdaten möglich, wobei jedoch gerade der Sinn eines autonomen unbemannten Unterwasserfahrzeugs, das möglichst nicht erkannt werden soll, gefährdet ist. Gerade das Auftauchen birgt die Gefahr einer Detektion des Unterwasserfahrzeugs, zum Beispiel durch Sichtkontakt oder Radarsysteme.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, eines der Probleme des Standes der Technik anzugehen. Insbesondere sollen geographischen Positionsdaten eines inertialen Navigationssystems, insbesondere zur Steuerung des Unterwasserfahrzeugs, möglichst gut korrigiert werden, ohne hierbei eine Funk- oder Datenverbindung mit dem Unterwasserfahrzeug einrichten zu müssen.
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Hierzu wird ein Navigationskorrekturmodul für ein autonomes Unterwasserfahrzeug vorgeschlagen. Das Navigationskorrekturmodul umfasst einen Dateneingang zum Empfangen von Sonardaten eines Sonars des Unterwasserfahrzeugs. Das Sonar des Unterwasserfahrzeugs ist vorzugsweise ein Seitensichtsonar, das auch „side scan sonar (SSS)” genannt wird.
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Ferner umfasst das Navigationskorrekturmodul einen Dateneingang zum Empfangen von Navigationsdaten eines Navigationssystems des Unterwasserfahrzeugs. Das Navigationssystem ist vorzugsweise ein inertiales Navigationssystems, das auch Trägheitsnavigationssystem oder „interial navigation system (INS)” genannt wird. Ferner umfasst das Navigationskorrekturmodul einen Landmarkendetektor zum Detektieren von Landmarken in der Umgebung des Unterwasserfahrzeugs aus den Sonardaten. Außerdem dient der Landmarkendetektor zum Detektieren der jeweiligen relativen Positionen der detektierten Landmarken zum Unterwasserfahrzeug und vorzugsweise zu anderen bereits zuvor erkannten Landmarken. Vorzugsweise ist der Landmarkendetektor als Bestandteil eines sogenannten simultanen Lokalisierungs- und Kartenerstellungssystem, das auch „simultaneous localization and mapping (SLAM) system” genannt wird, ausgebildet. Landmarken sind hierbei zum Beispiel natürliche oder künstliche Objekte, deren örtliche Position invariant ist.
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Ferner umfasst das Navigationskorrekturmodel eine Fehlerberechnungseinheit zum Berechnen eines Positionsfehlers des Unterwasserfahrzeugs durch Vergleich der Navigationsdaten mit unterschiedlich detektierten Positionen mehrfach erkannter Landmarken. Der Positionsfehler wird dann für eine Steuerung des Unterwasserfahrzeugs mittels einem Datenausgang ausgegeben. Der Positionsfehler kann auch als Navigationsfehler bezeichnet werden.
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Demnach werden Landmarken, die mehrfach erkannt werden, mit den relativen Positionen, die sich von einem ersten Erkennen einem zeitlich später darauffolgenden zweiten Erkennen beispielsweise in Abhängigkeit einer Drift des Unterwasserfahrzeugs unterscheiden können, unter Beachtung der Navigationsdaten verwendet, um Positionsfehler des Unterwasserfahrzeugs zu ermitteln. Ein Positionsfehler ist hierbei beispielsweise die Abweichung des Unterwasserfahrzeugs zwischen der mit dem Navigationssystem vermuteten Position und einer tatsächlichen Position oder einer Position, die zumindest näher an einer tatsächlichen Position liegt.
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Wird also gemäß einem Beispiel eine Landmarke vom Landmarkendetektor beim Durchfahren eines Unterwassergebiets auf einem vordefinierten Kurs mit einer ersten relativen Position zum Unterwasserfahrzeug detektiert und wird dieser Kurs erneut vom Unterwasserfahrzeug abgefahren, sodass die Landmarke erneut, jedoch mit einer anderen relativer Position, erkannt wird, so ist dies ein Anzeichen dafür, dass die Sensoren des Navigationssystems einer Drift unterlegen haben und daher der Kurs beim zweiten Durchfahren dieses Gebiets nicht dem Kurs des ersten Durchfahrens entspricht. Entsprechend der Differenz kann dann ein Positionsfehler bestimmt werden. Dieses Beispiel stellt nur den einfachsten Fall dar, wobei nämlich der Positionsfehler auch bestimmbar ist, wenn nicht derselbe Kurs ein zweites Mal abgefahren wird. Es kommt lediglich darauf an, zu detektieren, ob sich die relative Position einer wiederholt detektierten Landmarke im Verhältnis zum Unterwasserfahrzeug oder anderen bereits detektierten Landmarken verändert hat.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Landmarkendetektor eingerichtet, aus den Sonardaten akustische Bilder zu erzeugen und Objekte als Landmarken zu detektieren, die eine Länge in jeder Dimension aufweisen, die im Bereich von 0,25 m bis 2 m, insbesondere 0,5 m bis 1 m, liegt.
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Hierdurch wird die Gefahr reduziert, bewegliche Objekte, wie beispielsweise Wasserfahrzeuge, die üblicherweise eine Länge von mehr als 1 m beziehungsweise 2 m aufweisen, zu detektieren. Andererseits werden kleine Objekte, wie beispielsweise unter Wasser lebende Tiere, nicht als Landmarken detektiert, da diese vornehmlich eine Länge von weniger als 0,25 m beziehungsweise weniger als 0,5 m aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Landmarkendetektor eingerichtet, die akustischen Bilder zu skalieren, sodass ein Bildpunkt einer Fläche von mehr als 5 × 5 cm, insbesondere von mehr als 10 × 10 cm, einer realen Umgebung des Sonars entspricht. Eine derartige Skalierung dient zur Reduzierung des Rechenaufwands, wobei hier in Kauf genommen wird, dass eine Auflösung der Umgebung reduziert wird. Im Gegensatz zum simultanen Lokalisierungs- und Kartenerstellungsverfahren mit einem SLAM-System wird nämlich zur Ermittlung des Positionsfehlers durch Bestimmen der relativen Positionen von Landmarken nur eine wesentlich geringere Auflösung benötigt. Dies kann ausgenutzt werden, um einerseits die Rechenleistung und andererseits die benötigten Speicherkapazitäten bei der Korrektur der Navigationsdaten zu reduzieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Landmarkendetektor eingerichtet, das akustische oder skalierte akustische Bild zu filtern. Vorzugsweise wird hierzu ein zweidimensionales Medianfilter verwendet. Das heißt, der Landmarkendetektor weist ein Filter, nämlich beispielsweise ein zweidimensionales Medianfilter auf, um ein Rauschen, wie beispielsweise ein Fleckenrauschen oder ein Modenrauschen zu reduzieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Landmarkendetektor einen Mustererkennungsdetektor, der auch „template matching based detector” genannt wird. Der Mustererkennungsdetektor ist eingerichtet, Landmarken durch einen Vorlagenfilter, der auch „template matching filter” genannt wird, zu detektieren. Der Vorlagenfilter weist dazu beispielsweise eine Vorlage auf, die vordefinierten Dimensionen für eine zu detektierende Landmarke entspricht. Die Vorlage wird auch „template” genannt.
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Mustererkennungsdetektoren oder musterbasierte Erkennungsdetektoren, wie sie ebenfalls genannt werden, dienen gemäß der Ausführungsform zur einfachen Detektion eines vordefinierten Musters im Sonarbild. So ist eindeutig ein im Sonarbild erkanntes Objekt, das mit der im Vorlagenfilter hinterlegten Vorlage für vordefinierte Dimensionen übereinstimmt, als eine zu detektierende Landmarke detektierbar.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Landmarkendetektor eingerichtet, zwischen neu erkannten Landmarken und wiederholt erkannten Landmarken zu unterscheiden. Wiederholt erkannte Landmarken entsprechen somit den zuvor auch als mehrfach erkannte Landmarken bezeichneten Landmarken. Neu detektierte Landmarken, die also zuvor noch nicht erkannt wurden, werden mit ihrer Position im Landmarkendetektor auch im Verhältnis zu Positionen anderer Landmarken gespeichert. Einerseits ist hierdurch eine Landkarte immer weiter ergänzbar, indem nämlich neue Landmarken erkannt werden, wobei gleichzeitig mehrfach beziehungsweise wiederholt erkannte Landmarken dienen, um den Positionsfehler oder Navigationsfehler zu bestimmen, um einerseits die Karte und andererseits die Navigationsdaten zu korrigieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Landmarkendetektor eingerichtet, im Falle, dass ein Objekt nicht eindeutig als bereits zuvor detektierte Landmarke oder neue Landmarke detektiert werden kann, die Position des Objekts nicht als Landmarke zu speichern.
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Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit minimiert, dass Objekte, die nicht eindeutig einer bereits hinterlegten Landmarke zugeordnet werden können und daher beispielsweise fälschlicherweise als erkannte oder wiederholt erkannte Landmarke betrachtet werden würden, zu einem Fehler bei der Navigationsfehlerkorrektur führen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Fehlerberechnungseinheit eingerichtet, jede mehrfach erkannte Landmarke, also jede wiederholt erkannte Landmarke, zu verwenden, um einen Positionsfehler durch Vergleich oder Korrelation verschieden gespeicherter Positionen der wiederholt erkannten Landmarke, insbesondere im Verhältnis zu anderen gespeicherten Landmarken, zu detektieren. Vergleich oder Korrelation ist hierbei ein besonders einfaches Verfahren, um ein Maß für die Gleichheit und damit Richtigkeit der Position der wiederholt erkannten Landmarke zu erzeugen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Fehlerberechnungseinheit eingerichtet, die Positionsfehler, die auch Navigationsfehler genannt werden, auszugeben und hinterlegte Positionen von erkannten Landmarken in Abhängigkeit der Positionsfehler zu korrigieren bzw. zu aktualisieren. Hierdurch wird sichergestellt, dass die hinterlegten Positionen von Landmarken möglichst genau, insbesondere im Hinblick auf die korrigierten Navigationsdaten, abgespeichert sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Fehlerberechnungseinheit einen Speicher, um in der Vergangenheit liegende Navigationsdaten zu speichern. Ein Speichern von Navigationsdaten ist vorteilhaft, da die Bestimmung eines Sonarbildes mit dem Sonar eines Unterwasserfahrzeugs einige Zeit benötigt, die beispielsweise bis zu 30 oder 40 Sekunden dauern kann. In dieser Zeit werden die Navigationsdaten, die von einem Navigationssystem vorzugsweise für die Steuerung eines Unterwasserfahrzeugs ausgegeben werden, um diese in einer Steuerung zu verarbeiten, mehrfach aktualisiert. Die von dem Navigationssystem aktuell ermittelte Position zum Zeitpunkt, an dem das Sonarbild fertiggestellt ist, hat sich gegenüber dem Zeitpunkt, an dem die Sonardaten für das Sonarbild aufgenommen wurden, bereits verändert. Aktuelle Navigationsdaten werden demnach nicht mit den aktuell in den Sonardaten detektierten Landmarken verglichen. Vielmehr werden vergangene Navigationsdaten, die entsprechend der Dauer des Aufbaus eines Sonarbilds etwa bis zu 30 bis 40 Sekunden in der Vergangenheit liegen, verwendet. Dies ist dank dem Speicher möglich, in dem die Navigationsdaten vorzugsweise mindestens der letzten Minute gespeichert werden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein autonomes Unterwasserfahrzeug mit einem Navigationskorrekturmodul nach einer der vorgenannten Ausführungsformen. Der Dateneingang des Navigationskorrekturmoduls ist mit einem Sonar, insbesondere einem Seitensichtsonar, das auch „side scan sonar” genannt wird, des Unterwasserfahrzeugs zum Empfangen von Sonardaten verbunden. Der Dateneingang des Navigationskorrekturmoduls ist mit einem Navigationssystem des Unterwasserfahrzeugs, das vorzugsweise ein inertiales Navigationssystem ist, zum Empfang von Navigationsdaten verbunden. Das inertiale Navigationssystem wird auch Trägheitsnavigationssystem oder „inertial navigation system” genannt.
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Ferner ist der Datenausgang mit einem Anpassungsmodul, das insbesondere ein Substraktionsmodul ist, verbunden. Das Anpassungsmodul dient, um die Navigationsdaten des Navigationssystems, nämlich beispielsweise die aktuelle Position oder direkt die Steuersignale für eine Steuerung des Unterwasserfahrzeugs, an die Positionsfehler anzupassen, also die Navigationsdaten um die Positionsfehler zu korrigieren. Insbesondere im Falle, dass das Anpassungsmodul ein Substraktionsmodul ist, werden die Positionsfehler von den Navigationsdaten subtrahiert.
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Alternativ oder zusätzlich ist der Datenausgang des Navigationskorrekturmoduls direkt mit dem Navigationsmodul als Rückkopplung verbunden, um vom Navigationskorrekturmodul ausgegebene Positionsfehler direkt bei der Bestimmung der Navigationsdaten zu berücksichtigen. Die Verbindung zwischen Datenausgang des Navigationskorrekturmoduls und dem Navigationssystem kann auch als Rückkopplung bezeichnet werden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren, das insbesondere mit dem zuvor genannten Unterwasserfahrzeug ausgeführt wird.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich anhand der in den Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele. Hierbei zeigt
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1 eine erste Einbindung eines Navigationskorrekturmoduls in ein autonomes Unterwasserfahrzeug,
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2 eine alternative oder zusätzliche Einbindung des Navigationskorrekturmoduls in ein autonomes Unterwasserfahrzeug,
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3 einen Aufbau eines Navigationskorrekturmoduls,
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1 zeigt ein Navigationskorrekturmodul 10, das im Folgenden auch SLAM-Modul genannt wird. Das Navigationskorrekturmodul 10 erhält Navigationsdaten 12 von einem Navigationssystem 14 eines autonomen Unterwasserfahrzeugs. Das Navigationskorrekturmodul 10 ist somit in das autonome Unterwasserfahrzeug integriert. Außerdem empfängt das Navigationskorrekturmodul 10 Sonardaten 16 von einem Sonarsystem 18.
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Anhand der Sonardaten 16 und der Navigationsdaten 12 ermittelt das Navigationskorrekturmodul 10 einen Positionsfehler 20, der auch Navigationsfehler genannt werden kann. Der Positionsfehler 20 entspricht einer Fehlererwartung der Navigationsdaten 12 des Navigationssystems 14. Der Positionsfehler 20 wird einem Anpassungsmodul 22, das hier als Subtraktionsmodul dargestellt ist, zugeführt. Neben dem Positionsfehler 20 werden dem Anpassungsmodul 22 auch die Navigationsdaten 12 zugeführt. Das Anpassungsmodul 22 zieht den Positionsfehler 20 von den Navigationsdaten 12 ab und gibt an einem Ausgang korrigierte Navigationsdaten 24 aus, die zur Steuerung des Unterwasserfahrzeugs verwendet werden.
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2 zeigt ebenfalls das Navigationskorrekturmodul 10, das vom Navigationssystem 14 Navigationsdaten 12 sowie Sonardaten 16 vom Sonarsystem 18, das auch kurz Sonar genannt wird, empfängt. Hierbei wird ebenfalls ein Positionsfehler 20 im Navigationskorrekturmodul 10 ermittelt und der Positionsfehler 20 als Positionsupdate an das Navigationssystem 14 zurückgeführt. Die Rückführung kann auch als Rückkopplung bezeichnet werden. Das Navigationssystem 14 bestimmt nun unter Berücksichtigung des Positionsfehlers 20, also des Positionsupdates, die Navigationsdaten 24, die hier bereits als korrigierte Navigationsdaten bezeichnet werden können.
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Die Ausführungsbeispiele in den 1 und 2 können alternativ oder ergänzend zueinander vorgesehen sein.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Navigationskorrekturmoduls 10, das auch als SLAM-Modul bezeichnet werden kann. Das Navigationskorrekturmodul 10 weist eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle 30 auf, der die Sonardaten 16 sowie die Navigationsdaten 12 zugeführt werden. Anhand der Sonardaten 16 wird dann in einem Landmarkendetektor 32 ein Sonarbild derart verarbeitet, dass Objekte als Landmarken 34 detektiert werden. Die Positionen der Landmarken 34 werden ebenso wie die Navigationsdaten 12 zunächst in einem Datenpuffer 36 zwischengespeichert und dann einem Kalman-Filter 38 zugeführt. Im Kalman-Filter 38 werden dann die Positionsfehler 20 bzw. erwartete Positionsfehler 20 ermittelt und zurück an die Schnittstelle 30 gesendet, wobei die Schnittstelle 30 diese Positionsfehler 20 dann an einem Ausgang zur weiteren Verarbeitung oder Verwendung in der Navigation ausgibt. Der Kalman-Filter 38 sowie der Datenpuffer 36 können auch als Fehlerberechnungseinheit 40, Navigationskorrekturmodulkern 40 oder SLAM-Core 40 bezeichnet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Navigationskorrekturmodul
- 12
- Navigationsdaten
- 14
- Navigationssystem
- 16
- Sonardaten
- 18
- Sonarsystem
- 20
- Positionsfehler
- 22
- Anpassungsmodul
- 24
- Korrigierte Navigationsdaten
- 30
- Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle
- 32
- Landmarkendetektor
- 34
- Landmarken
- 36
- Datenpuffer
- 38
- Kalman-Filter
- 40
- Navigationskorrekturmodulkern
