DE19939345A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Navigation und Bewegungssteuerung von nicht starren Gegenständen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Navigation und Bewegungssteuerung von sich bewegenden Gegenständen, bei welchem Messsignale von einem autarken System an dem Gegenstand und Messsignale über Antennen von einem globalen Satelliten- bzw. Funknavigationssystem oder über optische Einrichtungen (wie Lasertracker) herangezogen werden, um Bewegungsdaten bzw. Ortskoordinaten des Gegenstandes mit hoher Genauigkeit und zeitlicher Abhängigkeit zu erhalten. Für den Einsatz an nicht starren Gegenständen werden Messsignale einer Mehrzahl von über den Gegenstand verteilten Sensoren und Antennen und/oder weitere Messsignale von Abstandsänderungen, Verformungen oder Gestaltsänderungen erfassende Messsonden (Dehnungsmessstreifen oder dgl.) für die Berechnung der Bewegungsdaten und Ortskoordinaten eingesetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Navigation und Bewegungssteuerung von sich bewegenden Gegenständen, bei welchem Messsignale von einem autarken System an dem Gegenstand und Messsignale über Antennen von einem globalen Satelliten- bzw. Funknavigationssystem, oder auch über optische Einrichtungen, herangezogen werden, um Bewegungsdaten bzw. Ortskoordinaten des Gegenstandes mit hoher Genauigkeit und in zeitlicher Abhängig­ keit zu erhalten.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Navigation und Bewegungssteuerung von Gegenständen, umfassend Sensoren eines autarken Systems am Gegenstand und Antennen eines globalen Satelliten- oder Funknavigationssystems, oder auch entsprechende optische Einrichtungen, die Messsignale liefern, Rechnereinrichtungen, um aus den Messsignalen Bewegungsdaten herzuleiten, Vergleichseinrichtungen, um Bewegungsdaten mitein­ ander zu vergleichen sowie eine Reglereinrichtung, um Ver­ gleichssdifferenzen zu minimieren.

Bei bekannten Navigationsverfahren für sich bewegende Gegenstände, also z. B. Flugzeuge werden sowohl ständig zur Verfügung stehende Messsignale von einem autarken bordeigenen System als auch über Antennen empfangene und daher störanfällige Messsignale von einem globalen Satelliten-Navigationssystem herangezogen, um Bewegungsdaten bzw. Ortskoordinaten mit hoher Genauigkeit und innerhalb kürzester Zeit zu erhalten. (DE-PS 196 36 425 (1)) Inertialsensoren (IMU), und zwar nur wenige für einen gemeinsamen Messort am Rumpf des Flugzeugs, liefern die ersten Messsignale zur Bestimmung der Beschleunigungen und der Drehraten, und zwar hinsichtlich der sechs Freiheitsgrade des Flugzeuges. Die Antennen für die zweiten Messsignale befinden sich entweder in der Nähe dieses Messortes, was aber zwangsläufig dazu führt, dass vom Messort beabstandete Teile des Flugzeuges bei der Navigation unberücksichtigt bleiben, wenn sie nicht starr mit diesem verbunden sind, was nicht nur bei großen Flugzeugen und im Taxibetrieb auf Flughäfen durchaus kritisch wäre. Befinden sich die Antennen für die zweiten Messsignale hingegen in größerem Abstand von dem Messort für die ersten Messgeräte, so können elastische Verformungen des Flugzeuges die Genauigkeit der ermittelten Ortskoordinaten so stark herab­ setzen, dass eine sichere Führung des Flugzeuges unmöglich gemacht wird. Bei größeren Flugzeugen treten im Flugbetrieb auch schon bei geringerer Turbulenz merkliche elastische Verformungen auf, wenn man an Flügelspannweiten von über 30 m denkt. Es kommt jedoch noch hinzu, dass beim Aufsetzen eines Flugzeuges der Abstand zwischen den Laufflächen der aufsetzenden Räder zum Rumpf des Fahrzeuges sich kurzzeitig erheblich verringert, so dass die ermittelten Messdaten ohne einen Ausgleich dieser Abstandsänderung, zu unbrauchbaren Ergebnissen führen können.

Bei allen bislang bekannten und in der Praxis eingesetzten Navigationsverfahren wird das Flugzeug trotz dieser elastischen Verformungen und Gestaltsänderungen als starrer Körper betrachtet.

Wenn es um die Steuerung von Robotern beispielsweise geht, so ist die Annahme, dass es sich hierbei um einen starren Gegenstand handelt, jedenfalls bei solchen Objekten, die ein bislang übliches Navigationsbewegungssystem haben, unzutreffend. Ein derartiger Roboter hat über Gelenke mit dem Korpus verbundene Manipulatoren, und es gilt nun gerade, diese Manipulatoren an ihren Eingriffsteilen genauestens zu steuern. Die Annahme, dass ein solches Objekt ein starrer Gegenstand sei, ist also schon vom prinzipiellen Ansatz her falsch.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die jeweils auf nicht starre Gegenstände angewendet werden sollen.

Erreicht wird dies durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale, nämlich bei dem Verfahren dadurch, dass für den Einsatz an nicht starren Gegenständen Messsignale einer Mehrzahl von über den Gegenstand verteilten Sensoren und Antennen und ggfs. weitere Messsignale von Abstandsänderungen, Verformungen oder Gestaltsänderungen erfassende Messsonden (Dehnungsmessstreifen oder dergl.) für die Berechnung der Bewegungsdaten und Ortskoordinaten eingesetzt werden und bei der Vorrichtung dadurch, dass zur Navigation und Bewegungssteuerung nicht starrer Gegenstände eine Mehrzahl von Sensoren und Antennen über den Gegenstand verteilt angeordnet sind und dass ggfs. weitere Abstandsänderungen, Verformungen oder Gestaltsänderungen erfassende Messsonden (Dehnungsmessstreifen oder dgl.) über den Gegenstand verteilt sind und Messsignale zur Berechnung der Bewegungsdaten und Ortskoordinaten liefern.

Es ist eine Vorrichtung zur Regelung der Abstände zwischen mehreren in Kolonne fahrenden spurgeführten Fahrzeugen bekannt (DE-PS 24 04 884 C2), denen jeweils Regelschaltungen zugeordnet sind, welche durch Beeinflussung der Fahrzeuggeschwindigkeiten die Fahrzeuge vorgegebenen Sollpositionen nachführen. Die Regelschaltungen sind mit einer zentralen Steuerung verbunden, welche die Sollpositionen und Sollgeschwindigkeiten der einzelnen Fahrzeuge in Abhängigkeit von deren Abständen untereinander errechnet und an die den Fahrzeugen zugeordneten Regelschaltungen übermittelt. Die Regelschaltungen der Fahrzeuge vergleichen die Positionen der ihnen zugeordneten Fahrzeuge mit den übermittelten Sollpositionen und nehmen eine Korrektur der Sollgeschwindigkeit vor, wenn die Differenz zwischen Sollposition und Fahrzeugposition einen vorgegebenen Toleranz­ wert überschreitet.

Eine solche einfache Regelschaltung lässt sich jedoch nicht an einem nicht starren Körper einsetzen, weil dessen Verformungen und Gestaltsänderungen sich wechselseitig beeinflussen und nicht völlig vermeidbar sind und daher nicht nur punktuell ausgeregelt werden sollen und können.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 zeigt das Integrationsprinzip eines bekannten Navigationssystems, das auch für die vorliegende Erfindung eingesetzt werden könnte.

Fig. 2 zeigt eine schaubildliche Darstellung der relativen Lage von GPS-Antenne und inertialer Messeinheit (IMU).

Die derzeit leistungsfähigsten Navigationssysteme für starre Luft-, Wasser- und Landfahrzeuge bestehen aus einer Kombination von Sensoren hoher Verfügbarkeit (insbes. Inertialsensoren, d. h. Kreisel und Beschleunigungsmesser) und Sensoren hoher Langzeitgenauigkeit (sog. Stützsensoren) wie Satelliten- Navigationsempfänger (z. B. für GPS und/oder GLONASS), die nach bekannten Prinzipien zu Gesamtsystemen integriert werden. Eine Variante ist in Fig. 1 dargestellt. Ihre Funktionsweise wird nachfolgend am Beispiel der Kombination von Inertialsensoren mit Satellitennavigationsempfängern kurz beschrieben, wobei es sich bei allen verwendeten Symbolen (x, . . .) um Vektoren handelt.

Der Eingang u des gezeigten Schemas repräsentiert Beschleunigungen und Drehraten, die auf das jeweils betrachtete Fahrzeug einwirken und gleichzeitig durch die Inertialsensoren gemessen werden. Die durch u verursachte Bewegung (Geschwindigkeit, Ort, Winkellage) wird mittels des zunächst einmal unbekannten Zustands x beschrieben. Ein Messsystem in Form eines Satellitennavigationsempfängers ermittelt aus x abgeleitete Messgrößen y (z. B. Schrägentfernungen ρ zwischen dem Fahrzeug und den Navigationssatelliten, vgl. Fig. 2). Parallel zu diesem Vorgang, der im oberen Teil von Fig. 1 dargestellt ist, wird aufbauend auf u im unteren Teil im Navigationsrechner eine Simulation der Fahrzeugbewegung (Block "Fahrzeug- Simulation") vorgenommen, die zu einer Schätzung (^) von x führt. In einer zweiten Simulation werden basierend auf dieser Schätzung mit Hilfe eines Messmodells (Block "Mess-Simulation") auch Schätzungen für die Messwerte y erzeugt. Die geschätzten und die tatsächlichen Messwerte werden anschließend miteinander verglichen und ihre Differenz einem "Regler" zugeführt, der die Aufgabe hat, den Unterschied zwischen den simulierten, bekannten und den tatsächlichen " unbekannten Größen von x möglichst gering zu halten.

Betrachtet man eine Konfiguration wie in Fig. 2 dargestellt, so ist zu erkennen, dass die relative Lage der Inertialsensoren und der Satellitennavigationsantenne beispielsweise durch Struktur­ schwingungen des Fahrzeuges beeinflusst wird. Für die oben dargestellte Simulation der Messwerte (hier Schrängentfernungen ρ) sollten diese zusätzlichen Bewegungen bei der heutzutage möglichen Messauflösung der Satellitennavigationstgeräte (cm- Bereich) auch nicht vernachlässigt werden. Dabei ist zu beachten, dass für die Navigation nicht primär das gemessene ρ sondern das daraus mittels 1 bestimmte s maßgeblich ist.

Prinzip der vorliegenden Erfindung ist nun die Aufhebung von Einschränkungen auf starre Körper. Dies erfolgt im wesentlichen durch zwei Merkmale:

Die Sensoren zur Ermittlung von u und y sind nicht mehr an wenigen Stellen konzentriert, sondern viele Sensoren werden räumlich über dessen Gegenstand verteilt und liefern entsprechend Sätze von Messwerten.

Das mechanische Modell des sich bewegenden, nicht starren Gegenstandes oder Fahrzeuges für die Fahrzeug-Simulation erhält zusätzliche elastische Freiheitsgrade, Gelenkfreiheitsgrade oder dgl. und stellt damit keinen starren Körper mehr dar. Damit erhöht sich die Zahl der Differentialgleichungen und der Komponenten von x, die gemeinsam die Fahrzeugbewegung beschreiben.

Claims (2)

1. Verfahren zur Navigation und Bewegungssteuerung von sich bewegenden Gegenständen, bei welchem Messsignale von einem autarken System an dem Gegenstand und Messsignale über Antennen von einem globalen Satelliten- bzw. Funknavigationssystem oder über optische Einrichtungen (wie Lasertracker) herangezogen werden, um Bewegungsdaten bzw. Ortskoordinaten des Gegenstandes mit hoher Genauigkeit und zeitlicher Abhängigkeit zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass für den Einsatz an nicht starren Gegenständen Messsignale einer Mehrzahl von über den Gegenstand verteilten Sensoren und Antennen und/oder weitere Messsignale von Abstandsänderungen, Verformungen oder Gestaltsänderungen erfassende Messsonden (Dehnungsmessstreifen oder dergl.) für die Berechnung der Bewegungsdaten und Orts-koordinaten eingesetzt werden.

2. Vorrichtung zur Navigation und Bewegungssteuerung von Gegen­ ständen, umfassend Sensoren eines autarken Systems am Gegenstand und Antennen eines globalen Satelliten- oder Funknavi­ gationssystems, oder auch entsprechende optische Einrichtungen, Messsignale, Rechnereinrichtungen, um aus den Messsignalen Bewegungsdaten herzuleiten, Vergleichseinrichtungen, um Bewe­ gungsdaten miteinander zu vergleichen sowie eine Regler­ einrichtung, um Vergleichssdifferenzen zu minimieren, dadurch gekennzeichnet, dass zur Navigation und Bewegungssteuerung nicht starrer Gegenstände eine Mehrzahl von Sensoren und Antennen über den Gegenstand verteilt angeordnet sind und/oder dass Abstandsänderungen, Verformungen oder Gestaltsänderungen erfas­ sende Messsonden (Dehnungsmessstreifen oder dgl.) über den Gegenstand verteilt sind und weitere Messsignale zur Berechnung der Bewegungsdaten und Ortskoordinaten liefern.