DE19939345C2 - Vorrichtung zur Navigation und zur Bewegungssteuerung von Gegenständen sowie Anwendung einer solchen Vorrichtung auf nicht starre Gegenstände - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Navi­ gation und Bewegungssteuerung von Gegenständen, umfassend Sensoren eines autarken Systems am Gegenstand und Antennen eines globalen Satelliten- oder Funkavigationssystem oder auch entsprechende optische Einrichtungen, die Messsignale liefern, und Rechnereinrichtungen, um aus den Messsignalen Bewegungsdaten herzuleiten.

Bei bekannten Navigationsverfahren für sich bewegende Gegen­ stände, also z. B. Flugzeuge werden sowohl ständig zur Ver­ fügung 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. Orts­ koordinaten mit hoher Genauigkeit und innerhalb kürzester Zeit zu erhalten (DE-PS 196 36 425). 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 hin­ sichtlich 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 herabsetzen, 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 Ab­ standsänderung, zu unbrauchbaren Ergebnissen führen können.

Bei allen bislang bekannten und in der Praxis eingesetzten Navigationsverfahren wird ein Flugzeug trotz seiner elasti­ schen 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, ebenfalls 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.

Bei einer Messanordnung zur Regelung von Robotern, Werk­ zeugmaschinen und dergleichen (DE 199 18 140 A1, veröffentlicht am 12.10.00) sind wenigstens ein inertialer Sensor an einem bewegten Teil und wenigstens zwei Signal­ empfänger an einem anderen Teil längs von Bewegungslinien angeordnet. Außerdem ist wenigstens ein Signalgeber (32) an dem anderen der Teile längs der gleichen Bewegungslinie angeordnet, eine Auswerteinheit (50) wird eingesetzt, welche die Messwerte der inertialen Sensoren und der Signal­ empfänger enthält, um Orts- und Bewegungskoordinaten und daraus Werte für die Regelung der Bewegung des Roboters zu ermitteln. Die Sensoren sind jedoch nicht Bestandteil eines autarken Systems.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, so ausgebildet werden, dass sie auf nicht starre Gegenstände angewendet werden kann.

Erreicht wird dies dadurch, dass Vergleichseinrichtungen, um Bewegungsdaten miteinander zu vergleichen, sowie eine Reg­ lereinrichtung vorgesehen sind, um Vergleichsdifferenzen zu minimieren, und dass für die Anwendung der Navigation und der Bewegungssteuerung auf nicht starre Gegenstände eine Mehrzahl von Sensoren und Antennen über den Gegenstand verteilt sind.

Es ist weiterhin eine Vorrichtung zur Regelung der Abstände zwischen mehreren in Kolonne fahrenden spurgeführten Fahr­ zeugen bekannt (DE-PS 24 04 884 C2), denen jeweils Regel­ schaltungen zugeordnet sind, welche durch Beeinflussung der Fahrzeuggeschwindigkeiten die Fahrzeuge vorgegebenen Soll­ positionen 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 ϑ 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 ϑ) 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 ϑ, 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 (3)

1. Vorrichtung zur Navigation und zur 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, und Rechnereinrich­ tungen, um aus den Messsignalen Bewegungsdaten herzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass Vergleichseinrichtungen, um Bewegungsdaten miteinander zu vergleichen, sowie eine Reglereinrichtung vorgesehen sind, um Vergleichsdifferenzen zu minimieren, und dass für die Anwendung der Navigation und der Bewegungssteuerung auf nicht starre Gegenstände eine Mehrzahl von Sensoren und Antennen über den Gegenstand verteilt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Abstandsänderungen, Verformungen oder Gestalts­ änderungen erfassende Messsonden (Dehnungsmessstreifen) über den Gegenstand verteilt sind und weitere Messsignale zur Berechnung der Bewegungsdaten und der Ortskoordinaten liefern.

3. Anwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 auf die Navigation und die Bewegungssteuerung von nicht starren Gegenständen wie Flugzeuge und Gelenkroboter.