DE60008592T2

DE60008592T2 - System und verfahren zur kollisionsvermeidung zwischen fahrzeugen

Info

Publication number: DE60008592T2
Application number: DE60008592T
Authority: DE
Inventors: Jonas Sporrong; Peter Uhlin
Original assignee: Saab AB
Current assignee: Saab AB
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: SE515655C2; WO2001046933A1; AU2243301A; ES2215776T3; ATE260506T1; US6510388B1; SE9904717L; EP1240636A1; EP1240636B1; SE9904717D0; DE60008592D1

Description

Gebiet der Erfindung und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Vermeidung einer Kollision zwischen Fahrzeugen.
Kollisionen zwischen Kampfflugzeugen während Luftkampfübungen treten häufig auf und werden normalerweise durch mangelnde Aufmerksamkeit eines Piloten verursacht, beispielsweise da die Aufmerksamkeit auf die Radaraufklärung oder Waffeneinstellungen gerichtet ist. Diese Kollisionen verursachen kostenintensive Verluste in Form von abgestürzten Kampfflugzeugen und führen im schlimmsten Fall dazu, dass ein beteiligter Pilot sein Leben verliert. Demzufolge besteht großer Bedarf an einem zuverlässigen System zur Kollisionsvermeidung.
Herkömmliche Kollisionsvermeidungssysteme basieren auf dem Gedanken, die Trajektorien der beteiligten Flugzeuge zu berechnen und damit ein Kollisionsrisiko vorherzusagen. Ein derartiges Kollisionsvermeidungssystem, das hauptsächlich für den zivilen Luftverkehr entwickelt wurde und dort benutzt wird, ist unter der Bezeichnung TCAS ("Traffic alert and Collision Avoidance System" – Verkehrswarn- und Kollisionsvermeidungssystem) bekannt. Jedes in dieses System eingebundene Flugzeug ist mit seiner eigenen TCAS-Einrichtung ausgestattet, die unter anderem einen Funk-Transponder umfasst. Der Funk-Transponder sendet ständig ein Funksignal, und ein Funk-Transponder in einem anderen Flugzeug sendet, wenn er dieses Funksignal empfängt, ein Antwortsignal, das die Flughöhe des eigenen Flugzeugs betreffende Daten umfasst. Der Abstand zu dem anderen Flugzeug wird durch Messen der Zeitspanne zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal ermittelt, und die Peilung wird mittels eines Funkpeilers durchgeführt. Anhand dieser Werte berechnet und aktualisiert die TCAS-Einrichtung kontinuierlich die Flugtrajektorien für die mit TCAS ausgestatteten Flugzeuge, die sich in der Umgebung befinden. Wenn eine für ein anderes Flugzeug berechnete Flugtrajektorie so eingeschätzt wird, dass sie die geplante Flugtrajektorie des eigenen Flugzeuges kreuzt, wird sofort eine Warnung für den Piloten erzeugt, die eine vordefinierte Zeitspanne bis zu einem so genannten "nächsten Annäherungspunkt" ("Closest Point of Approach") enthält. TCAS II ist ein weiter entwickeltes System, das zusätzlich zur Bereitstellung einer Warnung für den Piloten auch eine Ausweichmanöverrichtung vorschlägt. Die Ausweichmanöverrichtungen werden zwischen den beteiligten Flugzeugen über eine Funkverbindung koordiniert. TCAS erzielt bei den Peilwerten eine unzureichende Genauigkeit, und es werden viele Warnungen erzeugt, auch wenn die Flugzeuge einander ohne Kollisionsrisiko passieren können.
Ein Kollisionsvermeidungssystem, das viele überflüssige Warnungen abgibt, stellt einen zusätzlichen Stressfaktor für den Piloten dar, was bei einer Luftkampfübung, bei der der Pilot eine hohe Arbeitsbelastung hat und unter großem Druck mit vielen Instrumenten und großen Datenmengen umgehen muss, besonders ungünstig ist. Während einer Luftkampfübung mit schwer vorherzusagenden Flugmanövern und engem Kontakt zwischen den beteiligten Flugzeugen ist das Risiko von überflüssigen Warnungen sogar noch größer als in der kommerziellen Luftfahrt.
Das Dokument WO-A-96/05562 offenbart ein System zur Vermeidung einer Kollision zwischen Flugzeugen, das die Bahnen von zwei Flugzeugen extrapoliert und, wenn es ermittelt, dass die zwei Flugzeuge einander unter zu geringem Abstand passieren werden, ein Ausweichmanöver für jedes Flugzeug erzeugt, wobei es ferner verifiziert, ob das erzeugte Ausweichmanöver zulässig ist, und, wenn dies nicht der Fall ist, ein anderes Ausweichmanöver berechnet.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System und ein Verfahren zur Kollisionsvermeidung bereitzustellen, insbesondere zur Verwendung in Kampfflugzeugen, wodurch Kollisionen zwischen Fahrzeugen mit einem hohen Maß an Zuverlässig keit abgewendet werden können, wobei gleichzeitig Kollisionswarnungen und/oder automatische Ausweichmanöver im höchstmöglichen Maße in Situationen vermieden werden, in denen nahe beieinander befindliche Fahrzeuge einander ohne Kollisionsrisiko passieren können.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch ein System gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 erreicht.
Das erfindungsgemäße System und Verfahren basieren auf der Strategie, für das jeweilige Fahrzeug ein mögliches Ausweichmanöver zu suchen und einer das Fahrzeug lenkenden Person eine Warnung zukommen zu lassen und/oder das geeignete Ausweichmanöver automatisch durchzuführen, und zwar direkt, bevor die Möglichkeit verstreicht, dieses Ausweichmanöver durchzuführen, d.h. direkt, bevor sich die beteiligten Fahrzeuge in einer Position zueinander befinden, in der eine Kollision nicht mehr mit hinreichender Sicherheit vermieden werden kann. Das erfindungsgemäße Kollisionsvermeidungssystem ist folglich eingeschränkt, und es wird nur dann eine Warnung erzeugt und/oder ein automatisches Ausweichmanöver durchgeführt, wenn ein unmittelbares Kollisionsrisiko besteht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine berechnete Ausweichmanövertrajektorie durch mehrere dreidimensionale Objekte dargestellt, wie etwa Kugeln, wobei jedem dieser Objekte ein bestimmter Zeitwert zugewiesen ist und wobei die Abmessungen der separaten Objekte von dem vorgeschriebenen Mindestabstand zwischen den Ausweichmanövertrajektorien abhängig sind. In diesem Zusammenhang wird kontrolliert, ob eines der die Ausweichmanövertrajektorie des Fahrzeuges darstellenden, geometrischen Objekte ein geometrisches Objekt mit einem entsprechenden Zeitwert überlappt, das in der Darstellung der Ausweichmanövertrajektorien eines der anderen Fahrzeuge enthalten ist. Auf diese Weise ist es möglich, auf einfache Weise zu kontrollieren, ob die berechneten Ausweichmanövertrajektorien zu nahe beieinander liegen.
Indem man die Abmessungen der geometrischen Objekte auch von geschätzten Fehlern der berechneten Ausweichmanövertrajektorien abhängig macht, wird eine verbesserte Sicherheit im Hinblick auf durch Rechenfehler verursachte Kollisionen erzielt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Ausweichmanöverrichtung für das jeweilige Fahrzeug, basierend auf dem Kriterium, bestimmt, dass sich die Abschlusspunkte der Ausweichmanövertrajektorien der Fahrzeuge unter größtmöglichem Abstand voneinander befinden sollen. Auf diese Weise können die geeigneten Ausweichmanöverrichtungen mittels eines relativ einfachen Rechenmodells berechnet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt:
1 schematisch zwei mit einem erfindungsgemäßen System ausgestattete Flugzeuge und je eine für das jeweilige Flugzeug berechnete Ausweichmanövertrajektorie,
2 ein Blockdiagramm, das ein erfindungsgemäßes System darstellt,
3 schematisch eine Ausweichmanövertrajektorie, die für ein Flugzeug berechnet wurde und durch geometrische Objekte in Form von Kugeln dargestellt ist,
4 zwei sich überschneidende Kugeln, die zu den Ausweichmanövertrajektorien von zwei verschiedenen Fahrzeugen gehören,
5 eine schematische Darstellung bestimmter Parameter, die in einer koordinierten Berechnung von Ausweichmanöverrichtungen enthalten sind,
6 eine schematische Darstellung einer Kollisionssituation, und
7 eine schematische Darstellung eines Hilfsparameters.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1 zeigt schematisch zwei Flugzeuge F₁ und F₂, die aufeinanderzu fliegen, wobei die Flugzeuge mit einem erfindungsgemäßen Kollisionsvermeidungssystem ausgestattet sind. Die Flugzeuge F₁ und F₂ sind mit einer Einrichtung 2, siehe 2, zur kontinuierlichen Berechnung einer zukünftigen Position P₁, P₂ für das eigene Flugzeug und einer Einrichtung 4 zur Berechnung, koordiniert zwischen den Flugzeugen F₁, F₂, einer Ausweichmanöverrichtung D_i für das jeweilige Flugzeug versehen. Basierend auf dieser Ausweichmanöverrichtung D_i und der errechneten, zukünftigen Position P₁, P₂ wird eine Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ für das jeweilige Flugzeug F₁, F₂ durch eine Einrichtung 6 errechnet.
Bei der Berechnung der Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ wird eine Formel verwendet, die in Abhängigkeit unter anderem von der im System gewünschten Genauigkeit und der verfügbaren Computerleistung mehr oder weniger komplex gestaltet werden kann. Die Einrichtung 4 nutzt diese Formel für die Berechnung von Werten, die mehrere mögliche Ausweichmanövertrajektorien mit unterschiedlichen Richtungen für das jeweilige Flugzeug F₁, F₂ in der berechneten, zukünftigen Position P₁, P₂ darstellen. Durch ein geeignetes Verfahren wird dann eine Ausweichmanöverrichtung D_i, die einer der möglichen Ausweichmanövertrajektorien des Flugzeugs entspricht, durch eine Auswahl aus diesen Werten bestimmt. Ein mögliches Verfahren dafür wird nachfolgend beschrieben. Basierend auf der erhaltenen Ausweichmanöverrichtung D_i berechnet die Berechnungseinrichtung 6 danach mittels der Formel die Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ für das Flugzeug.
Das jeweilige Flugzeug F₁, F₂ ist außerdem mit einer Einrichtung 8 zum Kontrollieren versehen, ob sich die für das Flugzeug F₁, F₂ berechnete Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ in jedem Moment während ihrer berechneten Zeitspanne unter einem vorgeschriebenen Mindestlängenabstand d von den für die anderen Flugzeuge berechneten Ausweichmanövertrajektorien befindet. Wenn die Kontrolle zeigt, dass dies der Fall ist, werden die die berechnete Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ betreffenden Daten von einer geeigneten Speichereinrichtung 10 gespeichert, woraufhin eine neue, zukünftige Position P₁, P₂ für das Flugzeug durch die Einrichtung 2, basierend auf der derzeitigen Position des Flugzeuges, berechnet und das vorhergehende Verfahren wiederholt wird. Wenn andererseits die Kontrolle zeigt, dass sich die Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ des Flugzeuges in einem Moment während ihrer berechneten Zeitspanne unter einem Abstand von den Ausweichmanövertrajektorien eines der anderen Flugzeuge befindet, der kleiner als der vorgeschriebene Mindestabstand d ist, wird eine Einrichtung 12 aktiviert, welche Einrichtung 12 den Piloten auf ein bestehendes Kollisionsrisiko hinweist.
Der vorgeschriebene Mindestabstand d entspricht einem vordefinierten Sicherheitsabstand d_safe, der möglicherweise durch einen Fehler d_error ergänzt ist, der einem geschätzten Maximalfehler der berechneten Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ entspricht.
Die Warneinrichtung 12 kann so ausgeführt sein, dass sie die Warnung in Form eines akustischen Signals und/oder eines Lichtsignals abgibt. Bevorzugt ist die Warneinrichtung auch dafür ausgelegt, dem Piloten ein geeignetes Ausweichmanöver zu unterbreiten, welches Ausweichmanöver auf der letzten gespeicherten, sicheren Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ basiert. Die anfängliche Warnung wird kurz vor dem Moment t_avoid abgegeben, in dem ein auf der letzten gespeicherten, sicheren Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ basierendes Ausweichmanöver initiiert werden muss, um eine Kollision mit Sicherheit vermeiden zu können. Nach der anfänglichen Warnung sucht das System weiter nach einer sicheren Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂, in welchem Zusammenhang durch die Einrichtung 2, basierend auf der derzeitigen Position des Flugzeuges, eine neue, zukünftige Position P₁, P₂ für das Flugzeug berechnet und das vorhergehende Verfahren wiederholt wird. Wenn die Kontrolleinrichtung 8 zeigt, dass eine neue, sichere Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ gefunden worden ist, beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass eines der Flugzeuge seit dem vorherigen Berechnungszyklus ein derartiges Manöver ausgeführt hat und kein unmittelbares Kollisionsrisiko mehr besteht, wird die Warneinrichtung 12 deaktiviert. In diesem Fall wird die neue, sichere Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ durch die Speichereinrichtung 10 gespeichert, und es folgt ein neuer Berechnungszyklus.
Wenn keine neue, sichere Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ während der Warnperiode, d.h. vor dem Moment t_avoid, gefunden wird, führt das System über eine Berechnungseinrichtung 14 ein automatisches Ausweichmanöver aus, das auf der letzten gespeicherten, sicheren Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ basiert. Die Einrichtung 14 ist dafür ausgelegt, basierend auf der gespeicherten Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ Steuerparameter zu berechnen, durch welche Steuerparameter das Flugzeug dazu gebracht werden kann, ein der gespeicherten Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ entsprechendes Ausweichmanöver durchzuführen. Die Berechnungseinrichtung 14 führt die berechneten Steuerparameter als Eingaben dem elektronischen Fluglenksystem des Flugzeuges zu, wodurch das Flugzeug dazu gebracht werden kann, das gewünschte Ausweichmanöver auszuführen. In diesem Zusammenhang ist das System dafür ausgelegt, das automatische Ausweichmanöver in dem Moment t_avoid zu initiieren, der dem Moment entspricht, in dem sich das Flugzeug in der berechneten, zukünftigen Position P₁, P₂ befinden soll, basierend, auf welcher die gespeicherte Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ berechnet worden ist.
Wenn das automatische Ausweichmanöver durchgeführt worden ist, wird die Steuerung des Lenksystems des Flugzeuges, sobald die Situation wieder sicher ist, schnellstmöglich wieder an den Piloten zurückgegeben.
Die Einrichtung 6 zum Berechnen der Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ ist in geeigneter Weise dafür ausgelegt, eine berechnete Ausweichmanövertrajektorie durch mehrere dreidimensionale, geometrische Objekte S₁–S₄ darzustellen, welche Objekte längs der Ausweichmanövertrajektorie nahe zueinander angeordnet sind, und wobei jedem ein bestimmter Zeitwert T₁–T₄ zugeordnet ist.
In diesem Zusammenhang stellt das Objekt S₁ einen Rauminhalt dar, in dem sich das Flugzeug berechnungsgemäß zum Moment T₁ etc. befindet. Die Abmessungen der separaten Objekte S₁–S₄ sind so ausgeführt, dass der Sicherheitsabstand d_safe zwischen den Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ berücksichtigt ist. In diesem Zusammenhang ist die Kontrolleinrichtung 8 dafür ausgelegt, zu kontrollieren, ob eines der geometrischen Objekte S₁–S₄, welche die Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ eines Fahrzeug darstellen, ein geometrisches Objekt mit einem entsprechenden Zeitwert überschneidet, das in der Darstellung der Ausweichmanövertrajektorien eines der anderen Fahrzeuge enthalten ist.
Die geometrischen Objekte werden bevorzugt durch Kugeln gebildet, wie in den 3 und 4 gezeigt, wodurch sich eine einfache Darstellung der Ausweichmanövertrajektorie ergibt, da nur der Mittelpunkt, der Radius r_n und der Zeitwert T_n der jeweiligen Kugel S_n bestimmt werden müssen. Die Anzahl der Kugeln S_n in der Darstellung der jeweiligen Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ hängt vom Radius r_n der Kugeln S_n und der Länge der Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ ab. In diesem Zusammenhang entspricht der Radius r_n der jeweiligen Kugel S_n d/2.
Da es bei der Berechnung der Ausweichmanöverrichtungen D_i und der Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ unter anderem aufgrund der unvorhersehbaren Manöver des Piloten viele Fehlerquellen gibt, sollten die Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ so präsentiert werden, dass die Fehler in der berechneten Ausweichma növerrichtung D_i und den berechneten Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ nicht die Sicherheit des Systems beeinträchtigen. Dies wird in geeigneter Weise dadurch erreicht, dass die Berechnungseinrichtung dafür ausgelegt ist, die Abmessungen der geometrischen Objekte S₁–S₄ unter Berücksichtigung der geschätzten Fehler der jeweils berechneten Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ anzupassen. Wenn das Objekt aus Kugeln besteht, wird der Radius r_n der jeweiligen Kugel S_n in diesem Zusammenhang durch zwei Komponenten bestimmt, dem möglichen Fehler d_error und dem halben Sicherheitsabstand d_safe/2, d. h. r_n = d_safe/2 + d_error. Dies ist in 4 gezeigt. In 4 ist außerdem dargestellt, wie zwei Kugeln mit denselben Zeitwerten einander überschneiden. In diesem Fall würde das System folglich eine Warnung für den Piloten erzeugen. Der mögliche Fehler d_error entspricht dem geschätzten Maximalfehler der errechneten Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂. Der Fehler der Ausweichmanövertrajektorie Tr₁, Tr₂ erhöht sich mit dem Abstand von ihrem Ausgangspunkt P₁, P₂, weshalb die Kugeln S_n einen größeren Radius r_n haben, je weiter sie sich vom Ausgangspunkt P₁, P₂ befinden, wie in 3 gezeigt. Die jeweilige Kugel S_n stellt einen Rauminhalt dar, in dem sich das Flugzeug zu einem bestimmten Moment T_n mit großer Wahrscheinlichkeit befindet.
Die Berechnung der Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ wird kontinuierlich in diskreten Momenten t_n durchgeführt. Der Zeitabstand zwischen zwei Berechnungszyklen muss so kurz sein, dass zwei zu den Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ verschiedener Flugzeuge gehörige Kugeln S_n mit demselben Zeitwert t_n während der Zeitspanne zwischen zwei Berechnungszyklen nicht "übereinander springen" können. Ansonsten könnten sich zwei Ausweichmanövertrajektorien überschneiden, ohne vom System registriert zu werden. Der maximale Zeitabstand zwischen zwei Aktualisierungen, d.h. zwischen zwei Berechnungszyklen, hängt von der relativen Geschwindigkeit zwischen den Flugzeugen, dem Radius r_n der Kugeln und der maximalen, akzeptablen Überschneidung von zwei Kugeln S_n ab. Eine gewisse Überschneidung muss akzeptiert werden, da ansonsten der Zeitabstand zwischen zwei Berechnungszyklen unendlich klein sein müsste.
Bei der vorstehend erwähnten Berechnung der Ausweichmanöverrichtungen D_i ist es wichtig, dass die jeweilige Ausweichmanöverrichtung so gewählt wird, dass die Lösung für eine kritische Kollisionssituation nicht eine neue, derartige Situation verursacht. Die Ausweichmanöverrichtungen D_i der Flugzeuge müssen daher in irgendeiner Weise miteinander koordiniert werden. Es hat sich als geeignet erwiesen, die Ausweichmanöverrichtung D_i für das jeweilige Flugzeug, basierend auf dem Kriterium, zu bestimmen, dass sich die Abschlusspunkte C₁, C₂ (siehe 1) der Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ der Fahrzeuge unter größtmöglichem Abstand voneinander befinden sollen. In diesem Zusammenhang hat es sich außerdem gezeigt, dass geeignete Ausweichmanöverrichtungen D_i durch eine Minimierung der Funktion
erhalten werden, wobei C_i der Abschlusspunkt der Ausweichmanövertrajektorie Tr_i für das Fahrzeug i ist. Die Funktion f ist folglich die Summe des Umkehrabstandes zwischen dem Abschlusspunkt C_i der Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ aller Flugzeuge. Die Werte von C_i werden mittels der für die Berechnung der Ausweichmanövertrajektorien Tr₁, Tr₂ verwendeten Formel erhalten. In 5 sind die möglichen Abschlusspunkte C_i der möglichen Ausweichmanövertrajektorien Tr_i eines Flugzeuges, die auf einer bestimmten berechneten, zukünftigen Position P basieren, durch eine Ellipse E dargestellt.
Ein Ausweichmanöver sollte so scharf wie möglich sein, weshalb der dem Flugzeug während des Ausweichmanövers auferlegte Lastfaktor einen größtmöglichen Wert haben sollte. Der größtmögliche Lastfaktor kann in einer Richtung angewandt werden, die parallel zu einer Achse Z_B verläuft, die sich gerade nach oben durch das Flugzeug hindurch erstreckt, siehe 5. Beim Ausweichmanöver sollte das Flugzeug daher geeigneterweise einen solchen Rollwinkel ϕ_i haben, dass die Achse Z_B parallel zur Ausweichmanöverrichtung D_i ausgerichtet ist. Der Abschlusspunkt C_i ist bei einem auf der berechneten Ausweichmanövertrajektorie Tr_i basierenden Ausweichmanöver eine Funktion unter anderem des Rollwinkels ϕ_i des Flugzeuges, wobei durch Minimieren der Funktion f hinsichtlich des Rollwinkels ϕ_i, welcher Rollwinkel in Übereinstimmung mit der vorstehenden Argumentation die Ausweichmanöverrichtung D_i bestimmt, die Kombination der Rollwinkel ϕ_i und somit der Ausweichmanöverrichtungen D_i erhalten wird, die den größtmöglichen Abstand zwischen den Abschlusspunkten C_i der Ausweichmanövertrajektorien Tr_i der Fahrzeuge ergibt.
Die Koordination der Ausweichmanöverrichtungen D_i sollte von der Kommunikation zwischen den Flugzeugen unabhängig sein und folglich separat in allen Flugzeugen durchgeführt werden. Zur Vermeidung von Komplikationen, falls ein und derselbe Mindestwert der Funktion f mit mehreren verschiedenen Kombinationen von Werten der Rollwinkel ϕ_i erhalten wird, kann das System dafür ausgelegt sein, dass die Einrichtung 4 zur Berechnung der Ausweichmanöverrichtung in dem jeweiligen Flugzeug die verschiedenen Rollwinkelkombinationen in derselben Reihenfolge prüft und eine bestimmte Kombination der mehreren, möglichen Kombinationen auswählt, welche f gemäß einer festgelegten Priorität minimiert. Durch Nutzung derselben Priorität in allen Flugzeugen kann die Einrichtung 4 in den verschiedenen Flugzeugen folglich dazu gebracht werden, ein und dieselbe Rollwinkelkombination auszuwählen, die die Funktion f minimiert.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zur Berechnung von Ausweichmanöverrichtungen könnte unangemessene Ergebnisse erzielen, wenn der Abschlusspunkt C_i der Ausweichmanövertrajektorie Tr_i eines ersten Flugzeuges die Flugbahn eines zweiten Flugzeuges zur gleichen Zeit passiert, in der der Abschlusspunkt der Ausweichmanövertrajektorie des zweiten Flugzeuges in gleicher Weise die Flugbahn des ersten Flugzeuges passiert. Dies ist in 6 dargestellt, welche zwei Flugzeuge zeigt, die, bezogen aufeinander, in einem Winkel von 90° auf ein und denselben Punkt zufliegen. C_1,t und C_2,t sind die Abschlusspunkte der Ausweich manövertrajektorie des jeweiligen Flugzeuges im Moment t, während C_{1,t
+ dt} und C_{2,t + dt} die entsprechenden Abschlusspunkte im Moment t + dt sind. Wenn der jeweils errechnete Abschlusspunkt die jeweilige, errechnete Flugbahn passiert hat, ergibt das vorstehend beschriebene Verfahren in diesem spezifischen Fall aufeinanderzu laufende Ausweichmanövertrajektorien, was ein großes Kollisionsrisiko zur Folge hat. Dieses Problem kann durch die Einführung eines Hilfspunktes C_c,i (siehe 7) und die Bildung einer Bedingung für die Geometrie, betreffend den Abschlusspunkt C_i und diesen Hilfspunkt C_c,i vermieden werden. Der Hilfspunkt gemäß dem gezeigten Beispiel wird in einer Linie mit dem Geschwindigkeitsvektor v_i des Flugzeug angeordnet, der für die zukünftige Position P_i in solcher Weise berechnet wird, dass zwischen P_i, C_c,i und C_i ein rechter Winkel entsteht.
Das vorstehend erwähnte Problem entsteht, wenn sich C_i näher an P_j befindet als C_c,i und sich gleichzeitig C_j näher an P_i befindet als C_c,j. In einer Situation mit n beteiligten Flugzeugen sind n Bedingungen erforderlich. Jede dieser Bedingungen umfasst die folgenden zwei Ungleichheiten: ∥⁣ Cc,j – Pi ∥⁣ < ∥⁣ Cj – Pi ∥⁣, ∥⁣ Cc,i – Pj ∥⁣ < ∥⁣ Ci – Pj ∥⁣.
Wenigstens eine dieser Ungleichheiten muss für jede Bedingung erfüllt werden. Wenn das Verfahren zur Berechnung der Ausweichmanöverrichtung eine Lösung ergibt, die diese Bedingungen nicht erfüllt, wird diese Lösung verworfen und eine alternative Lösung berechnet.
Das erfindungsgemäße Kollisionsvermeidungssystem erfordert, dass jedes Flugzeug die für die anderen Flugzeuge errechneten Ausweichmanövertrajektorien kennt. Darüber hinaus muss jedes Flugzeug Zugang zu Daten von anderen Flugzeugen haben, um die Koordination der Ausweichmanöverrichtungen durchführen zu können. Die Berechnung der derzeitigen und zukünftigen Position, der Geschwindigkeit, des Rollwinkels etc. für das eigene Flugzeug wird geeigneterweise separat in jedem einzelnen Flug zeug durchgeführt. Die für die anschließenden Berechnungen erforderlichen Werte werden dann durch eine geeignete Kommunikationseinrichtung 16, beispielsweise ein Funkübertragungssystem, an die anderen Flugzeuge übermittelt und von diesen empfangen. Die koordinierte Berechnung der Ausweichmanöverrichtungen wird dann separat im jeweiligen Flugzeug durchgeführt. Gemäß einer ersten Alternative werden die Berechnung der Ausweichmanövertrajektorien aller beteiligten Flugzeuge und die Vergleichskontrolle dieser Ausweichmanövertrajektorien im Anschluss daran in jedem einzelnen Flugzeug ohne weitere Datenübertragung zwischen den Flugzeugen durchgeführt. Gemäß einer zweiten Alternative berechnet das jeweilige Flugzeug nur seine eigene Ausweichmanövertrajektorie, woraufhin die Ausweichmanövertrajektorie des jeweiligen Flugzeugs repräsentierende Daten über die Kommunikationseinrichtung 16 zwischen den Flugzeugen zur anschließenden Vergleichskontrolle der Ausweichmanövertrajektorien aller Flugzeuge ausgetauscht werden. Die erste Alternative hat den Vorteil, dass eine relativ kleine Datenübertragungskapazität erforderlich ist, da nur eine relativ geringe Datenmenge zwischen den Flugzeugen übertragen werden muss. Es ist jedoch eine große Computerleistung in dem einzelnen Flugzeug erforderlich, da jedes Flugzeug die Ausweichmanövertrajektorien für alle Flugzeuge berechnen muss. Daher ist die erste Alternative am besten für Systeme geeignet, die für die Berechnung der Ausweichmanövertrajektorie ein relativ einfaches Modell mit wenigen Parametern benutzen. Wenn für die Berechnung der Ausweichmanövertrajektorien ein komplexeres Modell benutzt wird, ist die andere Alternative vorzuziehen, da das jeweilige Flugzeug in diesem Fall nur seine eigene Ausweichmanövertrajektorie berechnet. Die zweite Alternative erfordert jedoch eine größere Datenübertragungskapazität als die erste. Die zweite Alternative hat den Vorteil, dass im System Redundanz erzielt wird. Wenn ein Flugzeug Daten übermittelt, die eine Ausweichmanövertrajektorie betreffen, welche sich als in eine andere Richtung als die gemäß dem Verfahren zur koordinierten Berechnung der Ausweichmanöverrichtungen erwartete Richtung berechnet erweist, wird dahingehend eine Anzeige erzeugt, dass irgendwo im System ein Fehler aufgetreten ist.
Zur Aufzeichnung und Berechnung der derzeitigen und zukünftigen Position und anderer Parameter, die für die Berechnung der Ausweichmanöverrichtung und der Ausweichmanövertrajektorie benötigt werden, wie etwa der derzeitige und zukünftige Rollwinkel, die Geschwindigkeit etc., können geeignete Einrichtungen und Sensoren bekannter Art verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Kollisionsvermeidungssystem wurde vorstehend anhand einer Anwendung in von Piloten gelenkten Flugzeugen beispielhaft erläutert. Das System ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt; es kann im Gegenteil zur Verwendung in anderen Arten von Flugzeugen angepasst werden, z.B. in unbemannten Flugzeugen, und kann innerhalb des Umfangs des Erfindungsgedankens auch zur Verwendung in anderen Arten von Fahrzeugen als Flugzeuge angepasst werden. Darüber hinaus ist es möglich, sofern es in einem beliebigen Zusammenhang als angemessen erachtet wird, das erfindungsgemäße System derart auszuführen, dass im Fall eines bestehenden Kollisionsrisikos ohne vorhergehende Warnung ein automatisches Ausweichmanöver durchgeführt wird, oder derart, dass eine Warnung ohne ein anschließendes, automatisches Ausweichmanöver erzeugt wird.

Claims

System zur Vermeidung einer Kollision zwischen Fahrzeugen, das eine Einrichtung (16) zur Übermittlung von Daten an das und von dem jeweiligen Fahrzeug umfasst, wobei das System ferner umfasst: – eine Einrichtung (2) zur kontinuierlichen Berechnung einer zukünftigen Position (P₁, P₂) für das jeweilige Fahrzeug; – eine Einrichtung (4) zum Bestimmen, koordiniert zwischen den Fahrzeugen, einer Ausweichmanöverrichtung (D_i) für das jeweilige Fahrzeug; – eine Einrichtung (6) zur Berechnung einer Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) für das jeweilige Fahrzeug, basierend auf der berechneten, zukünftigen Position (P₁, P₂) und der Ausweichmanöverrichtung (D_i) für das Fahrzeug, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner umfasst: – eine Einrichtung (8) zum Kontrollieren, ob sich die Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂), die für das jeweilige Fahrzeug berechnet wurde, in jedem Moment während ihrer berechneten Zeitspanne unter einem vorgeschriebenen Mindestabstand (d) von den für die anderen Fahrzeuge berechneten Ausweichmanövertrajektorien befindet; – eine Einrichtung (10) zum Speichern von Daten, die die Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) eines Fahrzeugs betreffen, wenn die Kontrolle zeigt, dass sich diese Trajektorie in jedem Moment während ihrer berechneten Zeitspanne unter dem vorgeschriebenen Mindestabstand (d) von den Ausweichmanövertrajektorien der anderen Fahrzeuge befindet, und – eine Einrichtung (12, 14), die, sollte die Kontrolle zeigen, dass sich die Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) eines Fahrzeugs in jedem Moment während ihrer berechneten Zeitspanne unter einem Abstand von der Ausweichmanövertrajektorie eines der anderen Fahrzeuge befindet, der geringer als der vorgeschriebene Mindestabstand (d) ist, einer Person, die das Fahrzeug manövriert, eine Warnung zukommen lässt, dass ein Kollisionsrisiko besteht und/oder das Fahrzeug dazu bringt, einer für dieses Fahrzeug zuvor berechneten und gespeicherten Ausweichmanövertrajektorie zu folgen.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System im jeweiligen Fahrzeug eine Einrichtung (2) zum Berechnen einer zukünftigen Position (P₁) für das Fahrzeug umfasst, wobei die Übermittlungseinrichtung (16) dafür ausgelegt ist, Daten, die die berechnete, zukünftige Position (P₁) betreffen, an jedes der anderen Fahrzeuge zu übermitteln und Daten von jedem der anderen Fahrzeuge zu erhalten, die die berechnete, zukünftige Position (P₂) des jeweiligen Fahrzeugs betreffen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System im jeweiligen Fahrzeug eine Einrichtung (14) umfasst, die das Fahrzeug automatisch dazu bringt, einer Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) zu folgen, die für das Fahrzeug zuvor berechnet und gespeichert wurde, welche Einrichtung (14) dafür ausgelegt ist, mit Hilfe der gespeicherten Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) die Kontrollparameter zu berechnen, durch die das Fahrzeug dazu gebracht werden kann, ein Ausweichmanöver durchzuführen, das der gespeicherten Ausweichmanövertrajektorie entspricht.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) zur Berechnung der Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) dafür ausgelegt ist, eine berechnete Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) durch mehrere dreidimensionale, geometrische Objekte (S₁–S₄), beispielsweise Kugeln, darzustellen, wobei jedem dieser Objekte ein bestimmter Zeitwert (T₁–T₄) zugewiesen ist, die Abmessungen der separaten Objekte (S₁–S₄) von dem vorgeschriebenen Mindestabstand (d) zwischen den Ausweichmanövertrajektorien (Tr₁, Tr₂) abhängig sind und die Kontrolleinrichtung (8) dafür ausgelegt ist, zu kontrollieren, ob eines der geometrischen Objekte (S₁–S₄), welche die Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) eines Fahrzeugs darstellen, ein geometrisches Objekt mit einem entsprechenden Zeitwert überschneidet, das in der Darstellung der Ausweichmanövertrajektorie eines der anderen Fahrzeuge enthalten ist.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinrichtung (6) dafür ausgelegt ist, die Abmessungen der geometrischen Objekte (S₁–S₄) unter Berücksichtigung von geschätzten Fehlern (d_error) der berechneten Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) anzupassen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) zum Bestimmen einer Ausweichmanöverrichtung (D_i) für das jeweilige Fahrzeug dafür ausgelegt ist, diese Richtung, basierend auf den Kriterien, zu bestimmen, dass die Abschlusspunkte (C₁, C₂) der Ausweichmanövertrajektorien (Tr₁, Tr₂) der Fahrzeuge so weit als möglich voneinander entfernt sein sollen.
Verfahren zur Vermeidung einer Kollision zwischen Fahrzeugen, bei dem eine Einrichtung (16) zur Übermittlung von Daten an das und von dem jeweiligen Fahrzeug vorgesehen ist, eine zukünftige Position (P₁, P₂) für das jeweilige Fahrzeug kontinuierlich berechnet wird, eine Ausweichmanöverrichtung (D_i) für das jeweilige Fahrzeug, koordiniert zwischen den Fahrzeugen, bestimmt wird und eine Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) für das jeweilige Fahrzeug, basierend auf der Ausweichmanöverrichtung (D_i) und der für das Fahrzeug berechneten, zukünftigen Position (P₁, P₂) berechnet wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die für das jeweilige Fahrzeug berechnete Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) mit den für die anderen Fahrzeuge berechneten Ausweichmanövertrajektorien verglichen wird, um zu kontrollieren, ob sich die Ausweichmanövertrajektorie des Fahrzeugs in jedem Moment während ihrer berechneten Zeitspanne unter einem vorgeschriebenen Mindestabstand (d) von den Ausweichmanövertrajektorien der anderen Fahrzeuge befindet, woraufhin, wenn der Vergleich zeigt, dass sich die Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) eines Fahrzeugs in jedem Moment während ihrer berechneten Zeitspanne unter dem vorgeschriebenen Mindestabstand (d) von den Ausweichmanövertrajektorien der anderen Fahrzeuge befindet, Daten, betreffend diese Ausweichmanövertrajektorie, gespeichert werden, und, wenn der Vergleich zeigt, dass sich die Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) eines Fahrzeugs in einem Moment während ihrer berechneten Zeitspanne unter einem Abstand von einer Ausweichmanövertrajektorie eines der anderen Fahrzeuge befindet, der geringer als der vorgeschriebene Mindestabstand (d) ist, eine Person, die das Fahrzeug manövriert, eine Warnung erhält, dass ein Kollisionsrisiko besteht und/oder das Fahrzeug dazu gebracht wird, einer für das Fahrzeug zuvor berechneten und gespeicherten Ausweichmanövertrajektorie zu folgen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausweichmanöverrichtung (D_i) für das jeweilige Fahrzeug, basierend auf den Kriterien, bestimmt wird, dass die Abschlusspunkte (C₁, C₂) der Ausweichmanövertrajektorien (Tr₁, Tr₂) des Fahrzeug so weit als möglich voneinander entfernt sein sollen.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass geeignete Ausweichmanöverrichtungen (D_i) durch Minimieren der Funktion
berechnet werden, wobei C₁ den Abschlusspunkt der Ausweichmanövertrajektorie Tr_i für das Fahrzeug i darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die zukünftige Position (P₁) für das jeweilige Fahrzeug durch eine Einrichtung (2) berechnet wird, die in dem jeweiligen Fahrzeug angeordnet ist, Daten, betreffend die berechnete, zukünftige Position (P₁) von dem jeweiligen Fahrzeug an jedes der anderen Fahrzeuge übermittelt werden und das jeweilige Fahrzeug von jedem der anderen Fahrzeuge Daten, betreffend die berechnete, zukünftige Position (P₂) jedes der anderen Fahrzeuge, erhält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige, berechnete Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) durch mehrere dreidimensionale, geometrische Objekte (S₁–S₄), beispielsweise Kugeln, dargestellt wird, wobei jedem der Objekte ein bestimmter Zeitwert (T₁–T₄) zugewiesen ist, die Abmessungen der separaten Objekte (S₁–S₄) von dem vorgeschriebenen Mindestabstand (d) zwischen den Ausweichmanövertrajektorien (Tr₁, Tr₂) abhängig sind und bei dem Vergleich zwischen den Ausweichmanövertrajektorien (Tr₁, Tr₂) kontrolliert wird, ob eines der geometrischen Objekte (S₁–S₄), welche die Ausweichmanövertrajektorie eines Fahrzeuges darstellen, ein geometrisches Objekt mit einem entsprechenden Zeitwert überschneidet, das in der Darstellung der Ausweichmanövertrajektorie eines jeden der anderen Fahrzeuge enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der geometrischen Objekte (S₁–S₄) dafür ausgelegt sind, geschätzte Fehler (d_error) der berechneten Ausweichmanövertrajektorie (Tr₁, Tr₂) zu berücksichtigen.