DE60011815T2

DE60011815T2 - Verfahren und vorrichtung zur räumlichen kollisionsvermeidung

Info

Publication number: DE60011815T2
Application number: DE60011815T
Authority: DE
Inventors: J. Scott PAYNTER; C. Brian BAKER
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2020-12-16
Also published as: WO2001046766A1; DE60011815D1; EP1244946A1; EP1244946B1; ATE269983T1; US6785610B2; AU3074401A; US20030014165A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lenkungsverfahren und -system, die für eine Verwendung mit selbstständig gelenkten und mit durch einen Menschen im Steuerkreis (man-in-the-loop) gelenkte Fahrzeuge geeignet sind, bei denen das Vorhandensein von Störungen bzw. Hindernissen und/oder Bedrohungen beim Lenken des Fahrzeugs zu einem Ziel berücksichtigt werden muss.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Während der Bewegung eines selbstständig gelenkten oder eines durch einen Menschen im Steuerkreis (man-in-the-loop) gelenkten Fahrzeugs zu einem Ziel hin, können Störungen, Hindernisse und/oder Bedrohungen in der Bewegungsbahn vorhanden sein, die vermieden werden müssen und die ansonsten das Fahrzeug daran hindern würden, sein Ziel zu erreichen, oder Schaden an dem Fahrzeug verursachen würden. Es sind verschiedene Lenkungsverbesserungskonzepte zum Vermeiden von Störungen bzw. Hindernissen, operativen Grenzen bzw. Abgrenzungen und/oder Bedrohungen vorgeschlagen worden. Im Allgemeinen sind diese Konzepte mit dem Ansatz entwickelt worden, dass dann, wenn keine Hindernisse vorhanden sind, die Bewegung des gelenkten Fahrzeugs nicht geändert wird. Wenn jedoch Hindernisse vorhanden sind, stellen diese Konzepte Anweisungen für das Lenkungssystem bereit, die das Fahrzeug um das Hindernis herum ablenken, damit das Fahrzeug sich zu dem gewünschten Ziel weiterbewegen kann.
Diese Vermeidungsverfahren sind z.B. in dem Gebiet taktischer Raketen verwendet worden. Dort gibt es während der Start-, Flug- und Abfangphase (Interceptphase) des Fluges zahlreiche Randbedingungen für das Lenkungssystem, die aus Störungen oder operativen Beschränkungen resultieren, die zusätzlich zu dem Erfordernis berücksichtigt werden müssen, dass die Rakete so gelenkt wird, dass sie das Ziel trifft. Einige dieser Randbedingungen umfassen Manövrierbarkeitsbeschränkungen basierend auf dynamischen, kinematischen und/oder mechanischen Beschränkungen des Fahrzeugs, operative Hüllkurven-Randbedingungen, wie etwa Beschränkungen der maximalen Höhe oder der minimalen Höhe für das Fahrzeug, Störungs-Randbedingungen, wie etwa befreundete, in der Luft befindliche Kräfte, und Bedrohungs-Randbedingungen, wie etwa feindliche Kräfte, die das Fahrzeug in einem Versuch ins Visier nehmen können, das Fahrzeug zu zerstören. Alle diese Faktoren stellen bedeutsame Erwägungen bei der Formgebung der Trajektorie der Rakete während ihres Fluges dar. Verschiedene Textbuch-Lenkungsverfahren, die vorgeschlagen worden sind, werden unten kurz diskutiert. Diese Verfahren tragen jedoch nicht allen dieser Randbedingungen Rechnung und würden daher von einer Verbesserung in irgendeiner Form vor einer Implementierung in einer tatsächlichen Anwendung profitieren.
Ein erstes bekanntes Verfahren zum Berücksichtigen von Lenkungs-Randbedingungen ist als ein Wegpunkt-Verfahren bekannt. Dieses Lenkungsverfahren verwendet Wegpunkte oder Zwischenpunkte entlang einer Trajektorie. Ein solches Konzept ist in dem Artikel "Obstacle-Avoidance Automatic Guidance: A Concept Development Study" von Victor H.L. Cheng, veröffentlicht in AIAA Journal, Paper Nummer 88-4189-CP, 1988 beschrieben. Die Grundidee hinter dem Wegpunkt-Konzept besteht darin, dass, wenn eine Störung, eine operative Abgrenzung oder eine Bedrohung festgestellt wird, ein Satz von Wegpunkten in der Weise konstruiert wird, dass ein Vermeidungsweg erreicht werden kann. Dieses Konzept ist in 1 dargestellt. Wie in 1 gezeigt, kann ein Fahrzeug 10 von einem Startpunkt 110 zu einem Ziel 140 über Wegpunkte 120 und 130 navigiert werden. Um eine effiziente Trajektorie zu erzeugen, müssen die Wegpunkte sorgfältig ausgewählt werden. Das Wegpunkt-Verfahren ist für Anwendungen geeignet, in denen Hindernisse stationär und nicht dynamisch sind.
Ein weiteres bekanntes Vermeidungsverfahren besteht darin, optimale Lenkungsstrategien zu verwenden, um ein Fahrzeug um Störungen oder Abgrenzungen herum zu steuern. Ein solcher Ansatz ist in dem Artikel "Control Theoretic Approach to Air Traffic Conflict Resolution", AIAA Journal, Paper Nummer 93-3832-CP, 1993 beschrieben. Dieses Verfahren umfasst die Definition einer Kostenfunktion, die die Qualität oder Güte einer bestimmten Trajektorie misst, und das Verfahren optimiert die Kostenfunktion über einen Satz möglicher Trajektorien. Die Konstruktion der Kostenfunktion basiert allgemein auf der Dynamik oder der relativen Bewegung der Störungen, operativen Abgrenzungen und/oder Bedrohungen für die Rakete. Im Allgemeinen muss dieses Verfahren numerisch gelöst werden und kann zur Lösung große Mengen an Echtzeitverarbeitung erfordern. Darüber hinaus vergrößert das Hinzufügen mehrerer Störungen, operativer Abgrenzungen und/oder dynamischer Bedrohungen während des Betriebes oder Fluges die Komplexität der Kostenfunktion beträchtlich und erhöht somit die Verarbeitungsanforderungen weiter.
Ein weiteres Vermeidungsverfahren beruht auf der mathematischen Darstellung von Potentialfeldern. In diesem Ansatz können Quellen, die Potentialfeldelemente sind, die eine mathematisch abstoßende Kraft bereitstellen, einzeln oder als eine Fläche verwendet werden, um eine entfernungsabhängige Kraft zu liefern, um die Raketenlenkung von dem Hindernis weg zu treiben. Quellen weisen dadurch eine einzigartige Qualität auf, dass der Betrag der abstoßenden Kraft umgekehrt proportional zu der Entfernung von der Quelle ist. Zum Beispiel wird eine Rakete, die sich nahe an der Quelle befindet, mit einer größere Kraft weg getrieben, als eine Rakete, die sich weit entfernt von der Quelle befindet. Aufgrund dieser entfernungsabhängigen Eigenschaft und weil Quellen computertechnisch effizient zu verwenden sind, können Quellen in einer großen Anzahl von Vermeidungsanwendungen verwendet werden. Jedoch haben Quellenverfahren einen Nachteil darin, dass sie, wenn sie nicht modifiziert werden, die Lenkungsbefehle beeinflussen, indem sie das Fahrzeug während der gesamten Trajektorie des Fahrzeugs von der Störung weglenken, weil die Quelle einen unbegrenzten Einflussbereich hat. Das US-Patent 5 006 988 liefert ein Beispiel einer Störungsvermeidungsnavigation, die auf abstoßenden Kräften basiert, die die Störungen repräsentieren.
Eine Modifikation an dem Quellenansatz fügt eine Reichweitenabgrenzung hinzu, jenseits derer die Quelle das Fahrzeug nicht beeinflusst. Ein solcher Ansatz ist in "Generation of Conflict Resolution Maneuvers for Air Traffic Management", von Claire et al., AIAA Journal, Paper Nummer 0/7803-4119-8, 1997 beschrieben. In diesem Ansatz treibt das Verfahren den Lenkungsbefehl nur dann von der Störung weg, wenn sich die Rakete innerhalb der Reichweitenabgrenzung befindet, und beeinflusst das Fahrzeug nicht, wenn es sich außerhalb der Abgrenzung befindet. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Lenkungsbefehl über die Abgrenzung mathematisch unstetig ist. Unstetige Befehle sind unerwünscht, weil sie in dem Fall, wenn mehrere Störungen, Abgrenzungen oder Bedrohungen auftreten, Instabilitäten in der Lenkungslösung verursachen können. Ein weiterer Nachteil an diesem Verfahren zeigt sich in Bezug auf die Bedrohungsvermeidung. Genauer neigt dieses Verfahren dazu, ein Fahrzeug entlang der Richtung der Geschwindigkeit der Bedrohung zu lenken, um die Bedrohung zu vermeiden. Falls jedoch die Bedrohung eine ausreichende Geschwindigkeit hat, um das Fahrzeug zu überholen, und das Quellenpotential sich an dem Fahrzeug befindet, kann die Bedrohung dennoch ein erfolgreiches Abfangen bewirken. Der Claire et al. Artikel erwähnt auch die Verwendung von Wirbel-Potentialfeldelementen bei der Konstruktion einer Vermeidungslösung. Wirbelelemente sind im Wesentlichen ebene Rotationselemente, die das Feld in eine Drehrichtung um einen Punkt treiben. Wirbelelemente können nicht leicht für vieldimensionale Räume oberhalb von zwei Dimensionen angepasst werden, weil sie zweidimensionale Elemente sind. Die Anwendung eines Wirbelelementes in einem dreidimensionalen Raum würde eine Kenntnis der Richtung erfordern, um die der Wirbel wirken würde. In einer dynamischen Situation würde das Hinzufügen eines Wirbelelementes die Anzahl von Ausweichlösungen begrenzen und die Leistungsfähigkeit eines Vermeidungsalgorithmus behindern. Nichtsdestotrotz können zweidimensionale Anwendungen von Wirbelelementen in Fällen, wie etwa Verkehrsleitanwendungen, zweckmäßig sein, in denen der Fluss von Fahrzeugen vorher festgelegten Richtlinien entspricht.
Ein weiteres bekanntes Vermeidungsverfahren setzt spezielle geometrische Abgrenzungsformen ein, um zu beschreiben, wie ein Vermeidungsmanöver durchzuführen ist. Diese geometrischen Verfahren verwenden die Oberflächentangenten von der geometrischen Abrenzung, um eine Vermeidungsrichtung für das Vermeidungsmanöver zu liefern. Ein solcher Vermeidungsansatz ist in "A Self-Organizational Approach for Resolving Air Traffic Conflicts", Seiten 239–254 von Martin S. Eby, veröffentlicht in The Lincoln Laboratory Journal, Band 7, Nr. 2, 1994 beschrieben. Solch ein Ansatz ist in 2 dargestellt, in der sich ein Fahrzeug 10 in Richtung des Pfeils D bewegt und ein Störungsflugzeug 200 vermeiden muss. Eine geometrische Abgrenzungsform 210 ist um das Störungsflugzeug 200 mit einem Radius r_D definiert, der die gewünschte Verfehlungsentfernung darstellt. In dem Fall, in dem die Bewegungsbahn des betrachteten Flugzeugs 10 zu seinem Ziel 220 die geometrische Abgrenzungsform 210 schneidet, ist ein Vermeidungsmanöver erforderlich. In diesem Fall wird eine Vermeidungs-Geschwindigkeitsvektor-Lösung V_S zum Teil gefunden, indem eine Tangente 230 an der geometrischen Abgrenzung 210 gebildet wird. Eine erhebliche Beschränkung dieses Verfahrens im Hinblick auf taktische Raketen besteht darin, dass dann, wenn die Rakete in das Innere der geometrischen Vermeidungsabgrenzung gelangt, der Tangentenvektor an der Oberfläche nicht mehr existiert. Der Claire et al. Artikel diskutiert auch, wie die Größe der geometrischen Abgrenzungsform reduziert werden kann, um eine Berechnung einer Tangente zu erlauben. Genauer wird die geometrische Abgrenzungsform in dem Fall, in dem die Rakete in das Innere der geometrischen Vermeidungsabgrenzung gelangt, reduziert, bis die Rakete wieder auf die Außenseite der geometrischen Abgrenzung gelangt. Die Reduktion der Größe der geometrischen Abgrenzung kann für eine Hindernisvermeidung funktionieren, weil die Lenkungsrichtung in eine Vermeidungsrichtung aggressiver wird, wenn sich ein betrachtetes Fahrzeug der Oberflächengeometrie nähert.
Eine Schwäche dieses Verfahrens tritt auf, wenn man versucht, eine operative Abgrenzung vorzusehen, wie etwa eine maximale Höhe für ein Fahrzeug. Eine Darstellung einer absoluten Höhen-Höchstgrenze ist eine einzelne Kugel, die die Erde in einer bestimmten Höhe umgibt. Solch eine Kugel würde jedoch mit dem oben beschriebenen Verfahren unmittelbar ein Problem verursachen, weil sich das Fahrzeug immer innerhalb der geometrischen Abgrenzung befinden würde und somit keine Tangente gebildet werden könnte. Solch ein Verfahren würde auch Schwierigkeiten mit einer Höhen-Höchstgrenzen-Beschränkung haben, wenn eine maximale Höhe durch eine Ebene repräsentiert würde. In diesem Fall würde das geometrische Tangentenverfahren einen Vermeidungsbefehl liefern, der immer parallel zu der Ebene wäre. Als eine Folge würde der gewünschte Vermeidungsbefehl zu jedem Zeitpunkt ignoriert werden.
Das Vermeidungsverfahren unter Verwendung einer Tangente an einer geometrischen Abgrenzung ist auch in dem Fall des Abschießens einer Rakete von einem Flugzeug unzulänglich. Insbesondere kann das Tangentenverfahren nicht der Situation Rechnung tragen, in der sich die Rakete im Inneren der geometrischen Form befindet, die das zu vermeidende Fahrzeug umgibt. Aus diesem Grunde muss die geometrische Form sehr klein gemacht werden. Wenn jedoch die geometrische Form, die ein abschießendes Flugzeug umgibt, klein genug gemacht wird, damit das Tangentenverfahren funktionieren kann, würde die geometri sche Form kleiner als das zu vermeidende Flugzeug sein, es würden keine Vermeidungsbefehle erzeugt werden und die Rakete könnte in das abschießende Flugzeug fliegen.
Dementsprechend ist das, was angesichts des Vorstehenden benötigt wird, ein verbessertes Vermeidungssystem und -verfahren, die den oben angeführten Mängeln Rechnung tragen können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Vermeidungssystem und -verfahren bereitzustellen, die sowohl statischen als auch dynamischen Störungen Rechnung tragen und die keine spezialisierten Algorithmen für dynamische Störungen erfordern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Störungsvermeidungssystem und -verfahren bereitzustellen, die einen deterministischen Vermeidungsbefehl liefern und die keinen iterativen Minimierungsalgorithmus für eine Lösung erfordern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Vermeidungssystem und -verfahren, die die Situation erfassen, in der sich das Fahrzeug im Inneren einer geometrischen Abgrenzungsform befindet.
Diese Aufgaben werden durch das Verfahren des Manövrierens eines Fahrzeugs gelöst, wie es in Anspruch 1 definiert ist, das Verfahren des Manövrierens eines ersten Fahrzeugs in Bezug auf ein zweites Fahrzeug, wie es in Anspruch 23 definiert ist, die Vorrichtung zum Manövrieren eines Fahrzeugs, wie sie in Anspruch 24 definiert ist, und das Computerprogramm, wie es in Anspruch 46 definiert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorangegangenen Aufgaben erreicht, indem ein entfernungsbasiertes Feldelement (wie etwa eine Quelle, eine Senke oder ein Wirbel), eine Normale und eine Tangente zu einer geometrischen Abgrenzungsfläche, ein ursprünglicher Lenkungsbefehl und die Entfernung zu der Störung zusammengemischt werden, um einen Vermeidungsbefehl zu erzeugen, der die Rakete von der Störung weg steuert und dafür sorgt, dass sie sich in die allgemeine Richtung des Zielortes weiterbewegt.
Die Vermeidungsbefehle werden in einer derartigen Weise konstruiert, dass in dem Fall, in dem sich ein Fahrzeug sehr nahe an einer Störung befindet, der Vermeidungsbefehl das Fahrzeug in eine Richtung steuert, um eine Kollision zu verhindern. Wenn ein Fahrzeug sich einer geometrischen Abgrenzung nähert, wird der Vermeidungsbefehl von einer Anti-Intercept-Richtung zu einer Richtung gemischt, die eine Funktion einer Oberflächentangente ist, so dass der Vermeidungsbefehl über die geometrische Abgrenzung stetig ist. Außerhalb der geometrischen Abgrenzung wird der Lenkungsbefehl mit einem Vektor gemischt, der eine Funktion der in einer entfernungsabhängigen Weise genommenen Oberflächentangente ist, um eine Vermeidungsrichtung entlang der gewünschten Bewegungsrichtung zu liefern. Als ein Ergebnis, erzeugt der Einschluss von Störungen und/oder Bedrohungen in den operativen Raum eines Fahrzeugs eine Änderung an den nominellen Lenkungsbefehlen, erlaubt es dem Fahrzeug jedoch weiterhin, sich zu seinem beabsichtigten endgültigen Bestimmungsort oder endgültigen Zustand zu bewegen. Bei dem Fehlen von Störungen, operativen Abgrenzungen oder Bedrohungen ändert die vorliegende Erfindung die ursprünglichen Lenkungsbefehle nicht, und das Fahrzeug bewegt sich entsprechend der ursprünglichen Lenkungsimplementierung.
Diese Erfindung kann in Anwendungen, wie etwa autonomen Fahrzeugen sowie Fahrzeugen eingesetzt werden, die eine Lenkung mit einem Menschen im Steuerkreis (man-in-the-loop) einsetzen. Genauer, wie etwa in der Situation eines Flugleiters, kann die Bedienungsperson eines Fahrzeugs über eine geeignete Lenkungsanpassung informiert werden, die erforderlich ist, um eine Störung zu vermeiden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile ist aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres ersichtlich. In den gesamten beigefügten Zeichnungen werden gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt ein Beispiel eines Fahrzeugs, das entlang einer Flugbahn mittels des Wegpunkte-Verfahrens manövriert wird, wie es im Stand der Technik bekannt ist,
2 zeigt ein Vermeidungsverfahren des Standes der Technik unter Verwendung einer geometrischen Abgrenzung,
3A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, in dem ein Vermeidungsbefehl in einem Fall bestimmt wird, in dem das Ob jekt innerhalb einer geometrischen Abgrenzung enthalten ist und in dem sich das Fahrzeug außerhalb der geometrischen Abgrenzung befindet,
3B zeigt eine detaillierte Darstellung der Vektoranalyse, die in einem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird, in dem ein Vermeidungsbefehl in einem Fall bestimmt wird, in dem das Objekt innerhalb einer geometrischen Abgrenzung enthalten ist und in dem das Fahrzeug sich außerhalb der geometrischen Abgrenzung befindet,
3C zeigt eine detaillierte Darstellung der Vektoranalyse, die in einem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird, in dem ein Vermeidungsbefehl in einem Fall bestimmt wird, in dem das Objekt innerhalb einer geometrischen Abgrenzung enthalten ist und in dem das Fahrzeug sich außerhalb der geometrischen Abgrenzung befindet und das Objekt passiert hat,
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, in dem ein Vermeidungsbefehl in dem Fall bestimmt wird, in dem das Objekt innerhalb einer geometrischen Abgrenzung enthalten ist und in dem sich das Fahrzeug ebenfalls innerhalb der geometrischen Abgrenzung befindet,
5 zeigt eine operative Abgrenzung, wie etwa eine minimale Höhe, um das Fahrzeug daran zu hindern, unterhalb einer durch eine minimale Höhe gegebenen Randgrenze zu fliegen,
6 zeigt eine operative Abgrenzung, wie etwa eine maximale Höhe, um das Fahrzeug daran zu hindern, über die Randgrenze zu steigen,
7 zeigt eine operative Abgrenzung, um ein Fahrzeug, wie etwa ein Unterseeboot, daran zu hindern, in ein bestimmtes Grenzgebiet einzutreten,
8 zeigt ein Fahrzeugvermeidungsverfahren unter Verwendung der vorliegenden Erfindung in der Situation, in der das Fahrzeug von einer Bedrohung verfolgt wird,
9A stellt einen Raketenabschuss von einem Flugzeug ohne die Verwendung der vorliegenden Erfindung dar, um die Rakete daran zu hindern, in das abschießende Flugzeug einzuschlagen,
9B zeigt eine Anwendung eines Raketenabschusses von einem Flugzeug unter Verwendung der vorliegenden Erfindung, um die Rakete daran zu hindern, in das abschießende Flugzeug einzuschlagen,
10A und 10B zeigen eine Anwendung der vorliegenden Erfindung, um Fahrzeuge zu steuern, die sich zusammen in einer Formation bewegen,
10C bis 10E zeigen eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung, um Fahrzeuge zu steuern, die sich zusammen in Formation bewegen,
11 ist ein Vektorfeld-Diagramm, das eine Situation darstellt, in der nur eine Störung vorhanden ist,
12 ist ein Vektorfeld-Diagramm, das eine Situation darstellt, in der mehrere Störungen in dem Vektorfeld vorhanden sind,
13 ist ein Vektorfeld-Diagramm, das das Vorhandensein mehrerer Störungen in dem Vektorfeld mit sich schneidenden Störungsabgrenzungen darstellt,
14 ist Vektorfeld-Diagramm, das das Vorhandensein mehrerer Störungen mit begrenzter Größe mit sich schneidenden Störungsabgrenzungen darstellt,
15 ist ein Vektorfeld-Diagramm, das das Vorhandensein mehrerer Störungen mit begrenzter Größe mit sich schneidenden Störungsabgrenzungen darstellt, wobei sich das Ziel innerhalb einer geometrischen Abgrenzung befindet,
16 ist ein Vektorfeld-Diagramm, das das Vorhandensein mehrerer Störungen mit begrenzter Größe mit sich schneidenden Störungsabgrenzungen und das Vorhandensein einer nicht geschlossenen, unendlichen Abgrenzungsfläche darstellt,
17 ist ein Vektorfeld-Diagramm, das das Vorhandensein mehrerer Störungen mit begrenzter Größe mit sich schneidenden Störungsabgrenzungen, das Vorhandensein einer nicht geschlossenen, unendlichen Abgrenzungsfläche und mit Tangenten-Abgrenzungsrichtungssteuerung darstellt,
18 ist ein Vektorfeld-Diagramm, das das Vorhandensein mehrerer Störungen mit begrenzter Größe mit sich schneidenden Störungsabgrenzungen, das Vorhandensein einer nicht geschlos senen, unendlichen Abgrenzungsfläche mit Tangenten-Abgrenzungsrichtungssteuerung und mit mehreren Potentialtypen darstellt,
19 ist ein Vektorfeld-Diagramm, das die Anwendung der vorliegenden Erfindung für eine Verwendung als ein automatisierter Flussmanager in einem Verkehrskorridor veranschaulicht,
20 ist ein Vektorfeld-Diagramm, das eine Anwendung der vorliegenden Erfindung in einer Fahrzeugsteuerungsanwendung mit sechs Freiheitsgraden (6DOF) veranschaulicht,
21 zeigt die Konstruktion der Komponenten für das 6DOF-Lenkungsverfahren,
22 ist ein Blockdiagramm einer Lenkungs-Verarbeitungseinheit für autonome Fahrzeuge,
23 ist ein Blockdiagramm einer automatischen Lenkungs-Verarbeitungseinheit für ein Fahrzeug mit einem Piloten und
24 ist ein Blockdiagramm einer durch einen Piloten gesteuerten Lenkungs-Verarbeitungseinheit für ein Fahrzeug mit einem Piloten.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf die verschiedenen Zeichnungen beschrieben.
Wie oben angegeben, kombinieren ein Vermeidungsverfahren und -system gemäß der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit, Störungen zu vermeiden, während sie es dem Fahrzeug erlauben, sich zu einem endgültig gewünschten Bestimmungsort weiter zu bewegen. In dem Fall einer taktischen Rakete besteht die primäre Mission der Rakete darin, zu einem Zielort zu fliegen, der sich in Bewegung oder in Ruhe befinden kann, und an dem Bestimmungsort eine Nutzlast abzuliefern. Entlang der Trajektorie kann die Rakete auf Störungen oder Hindernisse treffen, die in der Form befreundeter, in der Luft befindlicher Kräfte, operativer Abgrenzungen, die Höhen-Höchstwerte und -Tiefstwerte definieren können, und Bedrohungen vorliegen können, die versuchen können, die Rakete während ihrer Mission abzufangen. Die Aufgabe des Vermeidungsverfahrens und -system besteht darin, einen Lenkungsbefehl oder eine Lenkungsrichtung (e_Vermeidung) zu liefern, der bzw. die die Rakete so steuern kann, dass die Störungen vermieden werden und es dem Fahrzeug dennoch erlaubt wird, den beabsichtigten Zielort zu erreichen.
Damit das vorliegende Verfahren und das vorliegende System arbeiten können, erfordern sie Informationen über den Zustand jeder Störung. Solche Informationen können die Position, die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung, die Beschleunigung oder irgendeine andere Größe der Störung umfassen, die in der Vermeidungsverfahrensberechnung verwendet werden kann. Das Ver fahren hängt nicht davon ab, wie die Informationen erhalten werden, jedoch wird die Effektivität der resultierenden Störungsvermeidungsbefehle, die sich aus dem vorliegenden Verfahren ergeben, durch die Genauigkeit der Zustandsinformationen beeinflusst, die hinsichtlich der Störung oder Störungen bereitgestellt werden.
ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Störungsvermeidung
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in Bezug auf eine Anwendung beschrieben, in der eine Störung innerhalb einer geometrischen Abgrenzung enthalten ist.
Fahrzeug außerhalb einer geometrischen Abgrenzung des Objektes
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Anwendung der Störungsvermeidungsverfahrensberechnung, in der sich das Fahrzeug, das zu manövrieren ist, um die Störung zu vermeiden, außerhalb einer geometrischen Abgrenzung der Störung befindet, wie es in 3A gezeigt ist. Die geometrische Abgrenzung enthält die Position der Störung und einen Bereich, der die Störung umgibt. 3A stellt allgemein die Situation dar, in der sich ein Fahrzeug 10 einem zu vermeidenden Objekt 300 nähert, in der das zu vermeidende Objekt 300 innerhalb einer geometrischen Abgrenzung 310 enthalten ist und in der sich das Fahrzeug 10 außerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet. Verschiedene Lenkungsvek toren "e" sind in 3A gezeigt und werden nachfolgend einzeln detaillierter beschrieben.
Es ist anzumerken, dass in der folgenden Diskussion auf das Objekt und seinen umgebenden Bereich, wenn die Abgrenzung ein zu vermeidendes Objekt oder einen zu vermeidenden Bereich definiert, als ein Quellenelement Bezug genommen wird. Wenn die Abgrenzung ein Objekt oder einen Bereich definiert, zu dem hin das Fahrzeug angezogen wird, wird auf das Objekt oder den Bereich als ein Senkenelement Bezug genommen. Zum Zwecke des Verständnisses des vorliegenden Verfahrens unterscheidet sich der abstoßende Effekt einer Quelle oder der anziehende Effekt einer Senke jedoch vornehmlich in dem Vorzeichen (d.h. + oder –) der beteiligten Kräfte und Vektoren. Die als nächstes beschriebenen Grundprinzipien sind ansonsten für Quellen und Senken dieselben.
Wie in 3A dargestellt, bewegt sich ein Fahrzeug 10 mit einer Geschwindigkeit V_P und folgt einem nominellen Lenkungsbefehl e_gewünscht, der den Lenkungsbefehl darstellt, dem das Fahrzeug 10 in der Abwesenheit jeglicher Störungen zu folgen befohlen würde, deren Vorhandensein eine Abweichung verursachen würde. Die Störung 300 kann sich mit einer Geschwindigkeit V_imp bewegen. Jedoch ist V_imp zum Zwecke der Diskussion zu diesem Zeitpunkt im Wesentlichen Null. Der Vektor e_int stellt eine Abfanglinie (Intercept-Linie) zwischen der Störung 300 und dem Fahrzeug 10 dar. Der Punkt R stellt den Schnittpunkt des Vektors e_int an der Oberfläche der geometrischen Abgrenzung, 310 dar. Die Ebene 320 ist eine Ebene, die tangential zu der geometrischen Abgrenzung 310 an dem Punkt R ist, und der Punkt R ist der Oberflächen-Tangentialpunkt der Ebene 320. Der Vek tor e_N ist ein Oberflächennormalenvektor an dem Oberflächen-Tangentialpunkt R. Der Vektor e_tan ist ein Vektor, der eine Komponente des auf die Tangentialebene 320 projizierten nominellen Lenkungsbefehls e_gewünscht darstellt, und ist die Komponente in die Richtung des nominellen Lenkungsbefehls e_gewünscht. Wie unten vollständiger beschrieben wird, stellt die Ebene 330 eine Übergangszone zwischen einem Zustand, in dem sich das Fahrzeug 10 der Störung 300 nähert, und einem Zustand dar, in dem das Fahrzeug 10 überholt hat und sich von der Störung 300 weg bewegt. Der Vektor e'_tan ist der geometriebasierte Vermeidungsvektor, der aus e_N und e_tan bestimmt wird. Der Vektor e_Vermeidung stellt den resultierenden Vermeidungslenkungsbefehl dar, dessen Berechnung unten unter Bezugnahme auf 3B erläutert wird.
3B stellt die maßgeblichen Vektoren, die bei der Bestimmung des resultierenden Vermeidungslenkungsbefehls e_Vermeidung verwendet werden, in einer Situation genauer dar, die zu der in 3A gezeigten ähnlich ist und in der ein zu vermeidendes Objekt innerhalb einer geometrischen Abgrenzung enthalten ist und das Fahrzeug sich außerhalb der geometrischen Abgrenzung befindet. Für Diskussionszwecke sind alle Vektoren in 3B von R ausgehend gezeigt, um die relative Beziehung zwischen den Vektoren zu demonstrieren.
Wie in 3B dargestellt, ist eine Ebene 320 tangential zu einer geometrischen Oberfläche der geometrischen Abgrenzung 310 so definiert, dass sie ihren Tangentialpunkt bei dem Punkt R hat, der der Schnittpunkt der geometrischen Oberfläche der geometrischen Abgrenzung mit dem Vektor eint ist, der durch die relative Position eines Fahrzeugs (nicht gezeigt, aber ange ordnet als wäre es bei R) zu der Störung 300 definiert ist. Der Vektor e_tan ist eine Komponente des nominellen Lenkungsbefehls e_gewünscht, wenn e_gewünscht so auf die Ebene 320 projiziert wird, dass e_tan in der Richtung des nominellen Lenkungsbefehls liegt.
Wie in den Gleichungen (1a) und (1b) gezeigt, werden die Oberflächennormale e_N und die Tangentialrichtung an dem Oberflächen-Tangentialpunkt e_tan dann durch die Verwendung linearer oder nicht-linearer Funktionen h₁(x) und h₂(x) kombiniert, um einen geometriebasierten Vermeidungsvektor e'_tan zu liefern. Dieser Ansatz mischt den Vektor e_N mit dem Vektor e_tan, so dass der geometrische Vermeidungsvektor e'_tan abhängig von dem Wert der Funktionen h₁(x) und h₂(x) von e_tan bis e_N reichen kann. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist e'tan – E'tan / ||E'tan|| (1a)wobei E'tan = h1(x)eN + h2(x)etan, (1b)wobei 0 ≤ h₁(x) ≤ ∞ und 0 ≤ h₂(x) ≤ ∞, so dass h₁(x) und h₂(x) nicht beide Null sind. Für alle Gleichungen der obigen Form sollten Funktionen wie etwa h₁(x) und h₂(x) so konstruiert sein, dass ||E'_tan|| ≠ 0.
Ein spezielles Beispiel von Funktionen h₁(x) und h₂(x), das die obigen Kriterien erfüllt, besteht darin, dass h₂(x) als 1–h₁(x) definiert ist, wobei 0 ≤ h₁(x) ≤ 1. In dem Störungsvermeidungsverfahren der vorliegenden Erfindung müssen die Funk tionen h₁(x) und h₂(x) jedoch nicht zusammenhängen. Es können jegliche andere Vermeidungsfunktionen alternativ bei der Berechnung verwendet werden, solange sie die obigen Erfordernisse erfüllen.
Unter Bezugnahme auf 3A und 3B wird der resultierende Vermeidungslenkungsbefehl e_Vermeidung, wie in den Gleichungen (2a) und (2b) gezeigt, nachdem der geometrische Vermeidungsvektor e'_tan bestimmt worden ist, durch Zusammenmischen von e'_tan mit e_gewünscht basierend auf Funktionen f₁(x) und f₂(x) bestimmt, so dass e_Vermeidung abhängig von dem Wert der Funktionen f₁(x) und f₂(x) zwischen e_gewünscht und e'_tan variieren kann. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist eVermeidung = EVermeidung / ||EVermeidung||, (2a)wobei EVermeidung = f1(x)egewünscht + f2(x)e'tan, (2b)wobei 0 ≤ f₁(x) ≤ ∞ und 0 ≤ f₂(x) ≤ ∞, so dass f₁(x) und f₂(x) nicht beide Null sind, und wobei f₂(x)=0, wenn sich das Fahrzeug an dem Punkt L oder jenseits davon befindet, wobei der Punkt L ein Punkt auf der Einflussfläche 309 ist, die in einer Entfernung von der zu vermeidenden Störung 300 entlang eint angeordnet ist, und wobei f₁(x)=0, wenn sich das Fahrzeug 10 an dem Punkt R befindet. Ferner sollten die Funktionen f₁(x) und f₂(x) so konstruiert sein, dass ||E_Vermeidung|| ≠ 0.
Ein spezielles Beispiel für Funktionen f₁(x) und f₂(x) besteht darin, dass f₂(x) als 1–f₁(x) definiert ist, wobei 0 ≤ f₁(x) ≤ 1. In dem Störungsvermeidungsverfahren der vorliegenden Erfindung müssen die Funktionen f₁(x) und f₂(x) jedoch nicht zusammenhängen. Andere Vermeidungsfunktionen können alternativ in der Berechnung verwendet werden.
Wie oben für 3A angegeben, stellt die Ebene 330 eine Übergangszone zum Ändern des Vermeidungsbefehls dar, wenn das Fahrzeug 10 die Störung 300 überholt und passiert. Wenn sich das Fahrzeug insbesondere außerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 der Störung 300 befindet, folgt der erzeugte Lenkungsbefehl, wenn der Vermeidungslenkungsbefehl e_Vermeidung wie oben beschrieben und bestimmt angewendet wird, während das Fahrzeug 10 die Störung 300 überholt und passiert, nach dem Passieren der Störung 300 unnötigerweise und unerwünschterweise dem e_tan-Vektor.
Nun unter Bezugnahme auf 3C, kann der e'_tan-Vektor, sobald das Fahrzeug 10 die Störung 300 passiert hat, mit dem e_gewünscht-Vektor durch Verwendung stetiger linearer oder nichtlinearer Funktionen g₁(x) und g₂(x) gemischt werden, um e_tan* zu konstruieren. Der Vektor e_tan* wird basierend auf e'_tan und e_gewünscht durch Funktionen g₁(x) und g₂(x) so konstruiert, dass e_tan* → e'_tan, wenn sich das Fahrzeug 10 der Störung 300 nähert, und e_tan* → e_gewünscht, nachdem das Fahrzeug 10 die Störung 300 passiert, während es außerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 bleibt. Wie die Funktionen h₁(x) und h₂(x), können die Funktionen g₁(x) und g₂(x) auf eine Operation über einen bestimmten Bereich γ begrenzt werden.
Der Vektor e_tan* kann gemäß den Funktionen (3a), (3b) und wie folgt beschrieben werden: etan* = Etan* / ||Etan*||, (3a)wobei Etan* = g1(x)egewünscht + g2(x)e'tan, (3b)wobei 0 ≤ g₁(x) ≤ ∞ und 0 ≤ g₂(x) ≤ ∞, so dass g₁(x) und g₂(x) nicht beide Null sind, und g₂(x) = 0, wenn sich das Fahrzeug 10 an einem Ende 306 des Übergangsbereiches γ befindet, und g₁(x) = 0, wenn sich das Fahrzeug 10 an einem Anfang 307 des Übergangsbereiches γ befindet. Ferner sollten die Funktionen g₁(x) und g₂(x) so konstruiert sein, dass || E_tan|| ≠ 0.
In einer beispielhaften Ausführung ist g₁(x) = g₁(x,γ) und g₂(x) = g₂(x,γ) , wobei g₂(x,γ) = 1–g₁(x,γ) und wobei γ eine stetige Mehrvariablenfunktion ist, die die räumliche Abgrenzung beschreibt, über die der Befehl von e_gewünscht zu e'_tan überführt wird.
Somit kann e_tan* in den obigen Gleichungen dann, wenn die Funktionen g₁(x) und g₂(x) verwendet werden, um das Verhalten des Vermeidungsbefehls zu modifizieren, wenn das Fahrzeug 10 die Störung 300 passiert, in die Gleichung (2b) eingesetzt werden, um die unten gezeigte Gleichung (4b) zu erhalten, die eine robustere Lösung zum Erhalten von e_gewünscht ist und die den gewünschten Übergang des Lenkungsbefehls berücksichtigt, nachdem das Fahrzeug 10 die Störung 300 passiert. EVermeidung = f1(x)egewünscht + f2(x)etan*, (4b) wobei f₁(x) und f₂(x) so sind, wie sie oben in Bezug auf die Gleichungen (2a) und (2b) definiert wurden, und wobei e_tan* so bestimmt wird, wie es oben in Bezug auf die Gleichung (3a) und (3b) definiert wurde.
Wie oben in vorhergehenden Berechnungen des Verfahrens diskutiert wurde, wird e_Vermeidung durch die folgende Gleichung berechnet: eVermeidung = EVermeidung / ||EVermeidung||. (4a)
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass alle hierin beschriebenen Funktionen entweder lineare oder nicht-lineare stetige Funktionen sein können. Darüber hinaus wird aus Gründen der Einfachheit der Parameter x während der gesamten Diskussion der Störungsvermeidungsverfahrensberechnung als der variable Parameter aller Funktionen verwendet. Die Variable "x" kann eine parametrisierte Konstante oder einen parametrisierten Satz von Konstanten, eine veränderliche Funktion oder eine Familie von Funktionen darstellen. Lediglich beispielhaft und nicht beschränkend kann "x" die Position, die Entfernung, die Zeit, den Winkel und/oder die Beschleunigung darstellen. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass "x" mehrere Funktionen oder eine Vielvariablenfunktion darstellen kann, z.B. kann d(x) stattdessen d(a,b) oder d (a,b,γ) sein. Es ist ferner für den Fachmann ersichtlich, dass "x" weder in jeder Funktion einer Gleichung denselben Parameter oder Satz von Parametern darstellen muss, noch identische Variablen in Funktionen verschiedener Gleichungen der Störungsvermeidungsverfahrensberechnung darstellen muss.
Sowohl das Fahrzeug als auch das Objekt befinden sich innerhalb einer geometrischen Abgrenzung
Die oben in Bezug auf die 3A, 3B und 3C diskutierte Situation trägt der Situation Rechnung, in der das zu vermeidende Objekt 300 innerhalb einer geometrischen Abgrenzung 310 enthalten ist und in der sich das sich nähernde oder sich entfernende Fahrzeug 10 außerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet. Wie als nächstes unter Bezugnahme auf 4 diskutiert wird, kann das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auch leicht der Situation Rechnung tragen, in der sich sowohl das Fahrzeug 10 als auch das zu vermeidende Objekt 300 innerhalb einer geometrischen Abgrenzung 310 befinden.
4 stellt allgemein die Situation dar, in der sich ein Fahrzeug 10 einem zu vermeidenden Objekt 300 nähert, wobei sowohl das zu vermeidende Objekt 300 als auch das Fahrzeug 10 innerhalb der geometrischen räumlichen Abgrenzung 310 enthalten sind. Verschiedene Lenkungsvektoren "e", die in 4 gezeigt sind, entsprechen im Allgemeinen den in den 3A und 3B gezeigten Lenkungsvektoren und werden unten genauer beschrieben.
Das Fahrzeug 10 bewegt sich mit einer Geschwindigkeit V_P und folgt einem nominellen Lenkungsbefehl e_gewünscht, der den Lenkungsbefehl darstellt, dem das Fahrzeug 10 in der Abwesenheit jeglicher Hindernisse zu folgen befohlen würde, deren Vorhandensein eine Abweichung verursachen würde. Der Vektor V_imp stellt die Geschwindigkeit der Störung 300 dar und wird lediglich für Darstellungszwecke als Null angenommen. Der Vektor e_int stellt eine Intercept-Linie zwischen dem Fahrzeug 10 und der Störung 300 dar. Der Punkt R stellt den Schnittpunkt des Vektors e_int an der Oberfläche der geometrischen Abgrenzung 310 dar. Die Ebene 320 ist eine Ebene, die tangential zu der geometrischen Abgrenzung 310 an dem Oberflächen-Tangentialpunkt R ist. Der Vektor e_N ist ein Oberflächennormalenvektor an dem Oberflächen-Tangentialpunkt R. Der Vektor e_tan ist ein Vektor, der die Projektion des nominellen Lenkungsbefehls e_gewünscht auf die Tangentialebene 320 darstellt, und liegt in der Richtung des nominellen Lenkungsbefehls e_gewünscht. Wie in den 3A und 4 gezeigt ist, stellt die Ebene 330 eine Übergangszone zwischen einem Zustand, in dem das Fahrzeug 10 sich der Störung 300 nähert, und einem Zustand dar, in dem das Fahrzeug 10 die Störung 300 überholt hat und sich von ihr weg bewegt. Der Vektor e'_tan ist der geometriebasierte Vermeidungsvektor, der aus e_N und e_tan bestimmt wird. Der Vektor e_Vermeidung stellt den resultierenden Vermeidungslenkungsbefehl dar, dessen Berechnung unten erläutert wird.
In dem Fall, in dem das Fahrzeug 10 sich innerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet (4), genauso wie in dem Fall, in dem sich das Fahrzeug 10 außerhalb der geometrischen Abgrenzungsfläche 310 befindet (3A), wird ein geometriebasierter Vermeidungsvektor e'_tan gemäß den Gleichungen (1a) und (1b) durch Mischen der Oberflächennormale e_N und der Tangentialrichtung an dem Oberflächen-Tangentialpunkt e_tan durch die Verwendung der Funktionen h₁(x) und h₂(x) bestimmt. Wie oben angegeben, mischt dieser Ansatz den Vektor e_N mit dem Vektor e_tan, so dass der geometrische Vermeidungsvektor e'_tan abhängig von dem Wert der Funktionen h₁(x) und h₂(x) zwischen e_tan und e_N variieren kann. Um eine Diskontinuität in der Berechnung an der Oberfläche der geometrischen Abgrenzung für den Fall zu vermeiden, in dem sich das Fahrzeug 10 innerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, ist es bevorzugt, dass h₁(x) und h₂(x) dieselben Funktionen wie h₁(x) und h₂(x) in dem Fall sind, in dem sich das Fahrzeug 10 außerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet. Wenn die Diskontinuität groß genug ist, kann sie einen instabilen Lenkungsmodus erzeugen, wodurch der Lenkungsbefehl um eine Oberfläche der geometrischen Abgrenzung 310 oszilliert und nicht den gewünschten Vermeidungseffekt erzeugt.
Nachdem der geometrische Vermeidungsvektor e'_tan bestimmt worden ist, wird der resultierende Vermeidungslenkungsbefehl e_Vermeidung bestimmt. Anders als bei dem in den Gleichungen (2a) und (2b) gezeigten Ansatz, die in der Situation angewendet werden, in der sich das Fahrzeug 10 außerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, wird e_Vermeidung in dem Fall, in dem sich das Fahrzeug 10 innerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, basierend auf e'_tan und eint bestimmt. Genauer wird e_Vermeidung wie in den Gleichungen (5a) und (5b) gezeigt, durch Zusammenmischen von e'_tan mit eint basierend auf Funktionen f'₁(x) und f'₂(x) bestimmt, so dass e_Vermeidung abhängig von dem Wert der Funktionen f'₁(x) und f'₂(x) zwischen eint und e'_tan variieren kann. In dieser Situation ist eVermeidung = EVermeidung / ||EVermeidung||, (5a)wobei EVermeidung = f'1(x)eint + f'2(x)e'tan, (5b) wobei 0 ≤ f'₁(x) ≤ ∞, 0 ≤ f'₂(x) ≤ ∞, so dass f'₁(x) und f'₂(x) nicht beide Null sind, f'₂(x) = 0, wenn das Fahrzeug 10 mit einer Oberfläche der Störung 300 zusammenfällt, und wobei f'₁(x) = 0, wenn sich das Fahrzeug 10 an dem Punkt R befindet. Wie bei dem vorhergehenden Beispiel sind sowohl f'₁(x) als auch f'₂(x) lineare oder nicht-lineare stetige Funktionen, wobei x eine parametrisierte Konstante, Funktion oder Familie von Funktionen ist, die bei der Beschreibung der Funktionen f'₁(x) und f'₂(x) verwendet wird bzw. werden, wobei D die lokale Entfernung zwischen der zu vermeidenden Störung oder dem zu vermeidenden Punkt 300 entlang e_int zu dem geometrischen Oberflächen-Tangentialpunkt R ist. Ferner sollten die Funktionen f'₁(x) und f'₂(x) so konstruiert sein, dass ||E_Vermeidung|| ≠ 0.
Obwohl es nicht gezeigt ist, kann der Lenkungsbefehl, nachdem das Fahrzeug 10, welches sich innerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, die Störung 300 passiert, welche sich ebenfalls innerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, in einer Weise modifiziert werden, die ähnlich zu derjenigen der Gleichungen (3A) und (3B) ist. Sobald das Fahrzeug 10 die Störung 300 passiert hat, kann der e'_tan-Vektor mit dem e_gewünscht-Vektor durch stetige lineare oder nicht-lineare Funktionen g₁(x) und g₂(x) gemischt werden, um e_tan* zu erzeugen. Der Vektor e_tan* wird basierend auf e'_tan und e_gewünscht durch die Funktion g(x) so konstruiert, dass e_tan* → e'_tan wenn sich das Fahrzeug 10 der Störung nähert, und e_tan* → e_gewünscht, nachdem das Fahrzeug die Störung passiert, und wobei e_tan* gemäß den Gleichungen (3a) und (3b) beschrieben werden kann. Wie die Funktionen h₁(x) und h₂(x) können die Funktionen g₁(x) und g₂(x) auf eine Operation über einen bestimmten Bereich γ beschränkt sein.
Wie bei den oben beschriebenen Funktionen h₁(x) und h₂(x) ist es bevorzugt, dass die Funktionen g₁(x) und g₂(x) für den Fall, in dem sich das Fahrzeug außerhalb der geometrischen Abgrenzung befindet, dieselben sind wie g₁(x) und g₂(x), um eine potentielle Diskontinuität an der geometrischen Abgrenzungsoberfläche zu vermeiden.
Wenn die Funktionen g₁(x) und g₂(x) verwendet werden, um das Verhalten des Vermeidungsbefehls zu modifizieren, wenn das Fahrzeug 10 innerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 die Störung 300 passiert, kann e_tan* in die Gleichung (5b) eingesetzt werden, um die unten gezeigten Gleichungen (6a) und (b) zu erhalten, was eine robustere Lösung zum Erhalten von e_Veremidung ist und was dem gewünschten Übergang des Lenkungsbefehls Rechnung trägt, nachdem das Fahrzeug 10 die Störung 300 passiert. In der obigen Situation ist: eVermeidung = ||EVermeidung||, (6a)wobei EVermeidung* = f'1(x)egewünscht + f'2(x)etan*, (6b)wobei f'₁(x) und f'₂(x) so sind, wie sie oben hinsichtlich der Gleichungen (5a) und (5b) definiert wurden, und wobei e_tan* bestimmt wird, wie es oben hinsichtlich der Gleichungen (3a) und (3b) definiert wurde.
Um zu wiederholen, wird die Richtung e_gewünscht während der Anwendung des räumlichen Vermeidungsverfahrens, wenn sich eine Störung dem Fahrzeug 10 nähert oder sich das Fahrzeug 10 einer Störung nähert, basierend auf einer Funktion der Tangente der geometrischen Abgrenzung (Gleichungen 1a, 1b, 2a und 2b) und basierend auf einer Funktion des Zustandes der sich nähernden oder sich weg bewegenden Störung (Gleichungen 2a, 3b, 4a und 4b) modifiziert. Auf diese Weise wird das Fahrzeug an der Abgrenzungsoberfläche so gesteuert, dass es tangential zu der Abgrenzung fliegt und dementsprechend um die Störung herum entlang des Randes der Abgrenzungsoberfläche fliegt. Wenn das Fahrzeug die Störung ausreichend vermieden hat, wie durch die Gleichungen (3a) und (3b) bestimmt, wird der Vermeidungsbefehl von einer Vermeidungstrajektorie in die gewünschte Trajektorie überführt.
Wenn das Fahrzeug 10 jedoch die Abgrenzung durchdringt, wird die Richtung e_gewünscht basierend auf einer Funktion der Tangente der geometrischen Abgrenzung (Gleichung 1a, 1b, 5a und 5b) und basierend auf einer Funktion des Zustandes der sich nähernden oder der sich weg bewegenden Störung (Gleichungen 3a, 3b, 6a und 6b) modifiziert, so dass das Fahrzeug von der Störung weg gesteuert wird. Das Verfahren ist an der Abgrenzungsoberfläche stetig, weil das Fahrzeug, wenn sich das Fahrzeug gerade innerhalb der Abgrenzung befindet, so gesteuert wird, dass es entlang einer Tangente der Abgrenzung fliegt, wodurch ein stetiger Übergang durch die Abgrenzung bereitgestellt wird. Die Vermeidungsrichtung wird von der Abgrenzungstangente in eine Richtung weg von der Abgrenzungstangente basierend auf (zum Beispiel) der Entfernung y von der Störung überführt (Gleichungen 1a, 1b, 5a und 5b). Wenn das Fahrzeug die Störung ausreichend vermieden hat, wird der Vermeidungsbefehl von einer Vermeidungstrajektorie in die ge wünschte Trajektorie überführt (Gleichungen 3a, 3b, 6a und 6b).
Diese Vermeidungskonzepte sind nicht auf die speziellen geometrischen Räume beschränkt (d.h. 3-dimensionale Räume), wie sie vorstehend beschrieben wurden. Diese Vermeidungskonzepte können verwendet werden, um Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- oder andere mathematisch definierte Störungen in einem N-dimensionalen Raum zu vermeiden. Die Methodik der Implementierung ist dieselbe. Das heißt, dass die Anwendungen der Gleichungen 1 bis 6 dieselbe sein würde, obwohl die mit diesen Gleichungen verbundenen Gewichtungsfunktionen komplizierter werden würden. Eine Anwendung für solch einen Algorithmus kann in der Vermeidung von Lenkungsalgorithmus-Singularitäten liegen, durch die der resultierende Lenkungsbefehl der Null-Vektor sein würde. Diese Konstruktion kann die Position, Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Fahrzeugs sowie die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Ziels umfassen.
Zum Beispiel ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass eine zu vermeidende mathematisch definierte Störung eine Singularität in einem Fahrzeug-Hauptsteueralgorithmus umfassen kann, an der eine definierte Antwort nicht existiert. Dementsprechend kann eine solche Singularität mathematisch als eine durch den Vermeidungsalgorithmus der vorliegenden Erfindung zu vermeidende Störung definiert werden. Mit diesem Ansatz bewirkt der Vermeidungsalgorithmus, dass das Fahrzeug so manövriert wird, dass es nicht einen Zustand erreicht, in dem sich der Hauptsteueralgorithmus in einer Singularität befindet.
Eine weitere Implementierung kann in der Konstruktion eines Vermeidungsalgorithmus liegen, um die Körperorientierung eines Fahrzeugs während der Annäherung an einen Zielort so zu steuern, dass die Sichtlinie zu dem Zielort so gehalten wird, dass sie nicht mehr als X Grad von der Fahrzeug-Bohrungssicht (x-Richtung) abweicht. In diesem Fall ist die Störung nicht ein materieller Gegenstand, sondern eine mathematische Konstruktion. Darüber hinaus ist die Abgrenzungsoberfläche für diese Konstruktion ein Kegel, der von irgendeinem Punkt relativ zu dem Fahrzeug entlang des Körpers x ausgeht und einen Kegelwinkel von 2X aufweist. Der Vermeidungsalgorithmus würde unter Verwendung derselben Gleichungen wie zuvor konstruiert werden. Jedoch wären die Definitionen der Gewichtungsfunktionen komplizierter.
ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
(Vermeidung operativer Abgrenzungen)
Beispiel 1: Minimale Höhe
Die Anwendung des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung auf die Vermeidung operativer Abgrenzungen bzw. Grenzen (statt Störungen) wird als nächstes als ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie unten weiter beschrieben wird, ist der grundlegende Ansatz derselbe, wie er für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben wurde.
Operativen Abgrenzungen, außerhalb derer sich ein Fahrzeug normal bewegt, kann mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie es oben beschrieben wurde, Rechnung getragen werden.
Wenn z.B., wie in 5 dargestellt, eine operative Abgrenzung für ein Fahrzeug eine minimale Höhe ist, kann eine Kugel als eine geometrische Abgrenzung 310 verwendet werden, die einen Mittelpunkt in dem Mittelpunkt der Erde angeordnet hat und einen Radius aufweist, der geeignet ist, um eine Oberfläche der Kugel bei der gewünschten minimalen Höhe anzuordnen. Dementsprechend würde es das Fahrzeug 10 durch Befolgen des Ansatzes, der oben zur Vermeidung von Störungen beschrieben wurde, vermeiden, unterhalb der Abgrenzung minimaler Höhe 310 zu fliegen, und somit nicht auf die Oberfläche 300 auftreffen. In dieser Situation stellt ein abgeflachter Sphäroid die minimale Höhenabgrenzung 310 des Fahrzeugs 10 dar und entspricht der Störung 300 in den vorangegangenen Beschreibungen. Wie es für den Fachmann ersichtlich ist, ist die geometrische Abgrenzung 310, die in allen Beispielen und Ausführungsbeispielen hierin beschrieben wurde, nicht auf eine Kugel beschränkt, die ein Objekt 300 umgibt, und kann eine stetige reguläre oder irreguläre Geometrie sein, die in ihrer Form fließend und so kompliziert wie erforderlich sein kann.
5 zeigt den Vermeidungslenkungsbefehl e_Vermeidung für ein Fahrzeug 10 in jeder der gezeigten Position A, B und C. In 5 stellt R den Oberflächen-Tangentialpunkt auf der Abgrenzungsoberfläche minimaler Höhe dar, und P stellt einen Abfangpunkt (Intercept-Punkt) auf der zu vermeidenden Oberfläche 300 dar. Der Vektor e_NI stellt einen Normalenvektor zu der zu vermeidenden Oberfläche an dem Punkt P dar. Die anderen in 5 gezeigten Vektoren haben dieselbe Bedeutung, wie die Vektoren mit denselben Namen, die in den 3A, 3B und 4 gezeigt sind. Die Gleichungen, die verwendet werden, um eine Lösung für e_Vermeidung für ein Fahrzeug 10 zu finden, das sich an den Positionen A, B und C befindet, gleichen denjenigen der obigen Gleichungen (1a) bis (6b).
Beispiel 2: Maximale Höhe
Eine weitere operative Abgrenzung bzw. Grenze, der durch die vorliegende Erfindung Rechnung getragen werden kann, ist eine Abgrenzung maximaler Höhe. Wie bei der in 5 gezeigten Situation einer minimalen Höhenabgrenzung verwendet das in 6 gezeigte Szenario einer maximalen Höhenabgrenzung einen abgeflachten Sphäroiden um die maximale Höchstgrenze 300 darzustellen, die einer Oberfläche der Störung 300 in den vorangegangenen Beschreibungen entspricht. Eine geometrische Abgrenzung 310 in Form eines maximalen Höchstwertes wird in einer vorbestimmten Entfernung von dem dem maximalen Höchstwert entsprechenden Sphäroiden 300 definiert, und der oben für das erste Ausführungsbeispiel beschriebene Ansatz wird verwendet, um die Vermeidungslenkungsbefehle für die vorliegenden Bedingungen zu bestimmen.
6 stellt den Vermeidungslenkungsbefehl e_Vermeidung für ein Fahrzeug 10 in jeder der gezeigten Position A, B und C dar. In 6 stellt R den Oberflächen-Tangentialpunkt an der maximalen Höhenabgrenzung 310 dar, und P stellt einen Intercept-Punkt an der zu vermeidenden Oberfläche 300 dar. Der Vektor e_NI stellt einen Normalenvektor zu der zu vermeidenden Oberfläche 300 an dem Punkt P dar. Die anderen in 6 gezeigten Vektoren haben dieselbe Bedeutung wie die Vektoren mit denselben Namen, die in den 3A, 3B und 4 gezeigt sind. Die Gleichungen, die verwendet werden, um eine Lösung für e_Vermeidung für ein Fahrzeug 10 an den Positionen A, B und C zu finden, gleichen denjenigen der obigen Gleichungen (1a) bis (6b).
Beispiel 3: Verwendung zur Navigation eines unter Wasser befindlichen Fahrzeugs
Während die geometrischen Abgrenzungsflächen bisher als Flächen einfacher Geometrie gezeigt worden sind, und während die bisher beschriebenen beispielhaften Fahrzeuge Flugzeuge oder Raketen gewesen sind, ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung genauso auf andere Anwendungsarten anwendbar. Zum Beispiel kann das Verfahren auf die Navigation eines Unterseeboots angewendet werden, während es sich unter Wasser bewegt, und kann auch auf Boote und Seefahrzeuge angewendet werden.
7 zeigt eine irregulär geformte geometrische Abgrenzungsfläche 310, wie sie in einer Anwendung für eine Störungsvermeidung für eine Anwendung für ein Unterseeboot 10 Anwendung finden kann. Das tatsächlich zu vermeidende Gelände kann durch eine geglättete Fläche 300 simuliert werden, um die Topographie der geometrischen Abgrenzungsfläche 310 zu vereinfachen. Weil die relevanten Lenkungsvektoren und die Bestimmung des Vermeidungslenkungsbefehls e_Vermeidung dieselben sind, wie sie in Bezug auf die vorangegangenen Beispiele dargestellt und beschrieben wurden, lässt 7 diese Details aus Gründen der Kürze und Klarheit aus. Jedoch sind die Gleichungen, die verwendet werden, um eine Lösung für e_Vermeidung zu finden, in dieser Anwendung ähnlich zu denjenigen der obigen Gleichungen (1a) bis (6b).
Beispiel 4: Vermeidung sich bewegender Störungen:
Während die obigen Beispielsituationen Störungen zeigen, die ein Fahrzeug vermeiden muss, ist das vorliegende Verfahren genauso auf die Vermeidung aktiver Bedrohungen oder sich bewegender Störungen anwendbar. In dem Fall einer sich nähernden Bedrohung kann, falls die Positionen der Bedrohung bekannt ist, eine geometrische Abgrenzung um die Bedrohungsposition herum definiert werden, und die Position der geometrischen Abgrenzung der Bedrohung kann kontinuierlich aktualisiert werden. Ein Fahrzeug, das gemäß dem vorliegenden Verfahren gelenkt wird, wird somit automatisch so gesteuert, dass es die Abgrenzung und somit die Bedrohungsposition sogar vermeidet, wenn sich die Störung oder die Bedrohung in Bezug auf das sich bewegende Fahrzeug bewegt.
Die Vermeidung einer Bedrohung ist in 8 dargestellt, die ein sich bewegendes Fahrzeug 10 mit einer sich mit dem Fahrzeug 10 bewegenden geometrischen Abgrenzung 310 und eine sich bewegende, zu vermeidende Störung, eine Rakete 300, zeigt. Wie in 8 dargestellt, ändern sich die Vermeidungsbefehle aufgrund der Verwendung der vorliegenden Erfindung basierend auf der relativen Position zwischen dem sich bewegenden Fahrzeug 10 und der sich bewegenden Bedrohungsrakete 300. Insbesondere sind an den Bedrohungspositionen t1, t2, t3, t4, t5 und t6 die entsprechenden Vermeidungslenkungsbefehle als a1, a2, a3, a4, a5 und a6 gezeigt. In dem der Bedrohungsposition t1 entsprechenden Fall, in dem sich die Rakete 300 außerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, werden die Befehle zwischen der gewünschten Flugbahn e_gewünscht und dem tangentenbasierten Vermeidungsweg e'_tan gemischt. In dem den Bedrohungspositionen t2–t4 entsprechenden Fall, in dem sich die Rakete außerhalb der geometrischen Abgrenzung, jedoch näher als bei Position t1 befindet, wird die Gewichtung der tangentenbasierten Vermeidungsrichtung erhöht. In dem der Bedrohungsposition t5 entsprechenden Fall, in dem sich die Rakete an dem Oberflächen-Tangentialpunkt R befindet, basiert der Vermeidungsbefehl a5 auf dem Tangenten-Vermeidungsbefehl e'_tan der geometrischen Abgrenzung. In dem der Bedrohungsposition t6 entsprechenden Fall, in dem sich die Rakete innerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, wird der Vermeidungsbefehl zwischen einem Anti-Intercept-Befehl und einem tangentenbasierten Befehl gewichtet, wie es in den Gleichungen (5a) und (5b) oben für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Somit müssen e'_tan und die zu seiner Berechnung verwendeten Funktionen an jedem Punkt entlang der Flugbahn neu berechnet werden, um den Steuerbefehl e_Vermeidung kontinuierlich zu aktualisieren. Weil die relevanten Lenkungsvektoren und die Bestimmung des Vermeidungslenkungsbefehls e_Vermeidung dieselben sind, wie sie in Bezug auf die vorangegangenen Beispiele dargestellt und beschrieben wurden, lässt 8 diese Details aus Gründen der Kürze und Klarheit aus. Jedoch sind die Gleichungen, die verwendet werden, um eine Lösung für e_Vermeidungzu finden, in dieser Anwendung ähnlich zu denjenigen der obigen Gleichungen (1a) bis (6b).
Beispiel 5: Vermeidung eines sich bewegenden Objektes, das von einem sich bewegenden Fahrzeug abgeschossen worden ist
Wie in dem Hintergrund der Erfindung angemerkt, tritt ein Mangel der konventionellen Vermeidungsverfahren, die auf einer Verwendung geometrischer Abgrenzungsformen basieren, in der Situation des Abschießens einer Rakete von einem Flugzeug zutage. Genauer würde die resultierende geometrische Form, weil das konventionelle Abgrenzungsformverfahren erfordert, dass die geometrische Form sehr klein gemacht wird, so dass das Fahrzeug und die Rakete sich nicht beide innerhalb der geometrischen Abgrenzungen befinden, kleiner als das zu vermeidende Fahrzeug sein, und die Rakete würde somit in der Lage sein, in das abschießende Flugzeug zu fliegen. Wie in 9A gezeigt, haben zum Zeitpunkt des Abschusses eine Rakete 410 und das abschießende Flugzeug 420, die sich beide innerhalb der geometrischen Form 310 befinden, denselben Geschwindigkeits- und Richtungsvektor. Der gewünschte Raketenlenkungsbefehl würde die Rakete 410 jedoch potential veranlassen, nach dem Abschuss nach oben zu ziehen und das Flugzeug 420 zu treffen.
Im Gegensatz dazu ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dazu in der Lage, Vermeidungslenkungsbefehle zu liefern, die eine abgeschossene Rakete 410 dazu veranlassen, das Flugzeug 420 zu vermeiden, von welchem sie abgeschossen worden ist. Wie in 9B dargestellt, würde eine abgeschossene Rakete 410 zuerst aus der geometrischen Abgrenzung 310 herausmanövriert, die das Flugzeug 420 umgibt, und dann auf den gewünschten Lenkungskurs einbiegen. Genauer zeigt 9B die Raketenlenkungszustände an vier Punkte P1, P2, P3 und P4 während der Abschuss- und Flugsequenz. An den Positionen P1 und P2, die der Situation entsprechen, in der sich die Rakete 410 innerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, werden der Abgrenzungs-Tangentenvektor und ein Vektor mit einer Richtung entgegengesetzt zu dem Mittelpunkt des Flugzeugs zusammengemischt, um den Vermeidungsbefehl zu erhalten, wie es oben unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. (In diesem Beispiel ist der Mittelpunkt des Flugzeuges als ein Bezugspunkt an dem Flugzeug definiert, der das gesamte Flugzeug darstellt). An Position P3, die der Situation entspricht, in der sich die Rakete 410 an der Oberfläche der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, basiert der Vermeidungsbefehl auf dem Tangenten-Vermeidungsvektor der geometrischen Abgrenzung. An Position P4, die der Situation entspricht, in der sich die Rakete 410 außerhalb der geometrischen Abgrenzung 310 befindet, wird der Vemeidungsbefehl durch Zusammenmischen des Tangentenbefehls e'_tan der geometrischen Abgrenzung und des gewünschten Raketenlenkungsbefehls erhalten, genau wie es in 3A gezeigt und veranschaulicht ist und wie es in dem zu 3A gehörenden Text beschrieben ist. Somit müssen e'_tan und die Funktionen, die zu seiner Berechnung verwendet werden, an jedem Punkt entlang der Flugbahn neu berechnet werden, um den Steuerbefehl e_Vermeidung kontinuierlich zu aktualisieren. Weil die relevanten Lenkungsvektoren und die Bestimmung des Vermeidungslenkungsbefehls e_Vermeidung dieselben sind, wie sie in Bezug auf die vorangegangenen Beispiele dargestellt und beschrieben wurden, lässt 9B diese Details aus Gründen der Kürze und Klarheit aus. Jedoch sind die Gleichungen, die verwendet werden, um eine Lösung für e_Vermeidung zu finden, in dieser Anwendung ähnlich zu denjenigen der obigen Gleichungen (1a) bis (6b).
Drittes Ausführungsbeispiel
(Steuerung von Fahrzeugen in Formation)
Das Verfahren, durch das die vorliegende Erfindung für die Steuerung von Fahrzeugen verwendet werden kann, die sich in Formationen bewegen, wird als nächstes als ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel baut auf vorangegangenen Ausführungsbeispielen, mit dem Zusatz von Senkenelementen für die Positionssteuerung, die Geschwindigkeitssteuerungen und die Steuerung anderer Zustände auf.
Wie vorstehend angegeben, kann auf ein zu vermeidendes Objekt und/oder den umgehenden Bereich als ein Quellenelement Bezug genommen werden, während Objekte oder Bereiche, zu denen hin das Fahrzeug angezogen wird, als Senkenelement bezeichnet werden können.
Beispiel 1: Geometrische Abgrenzung, die aus Quellen- und Senkenelemente gebildet wird
Wie oben angegeben, kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Steuerung von Fahrzeugen in Formationen beizubehalten und um die Position und die Trennung der Fahrzeuge in dieser Formation beizubehalten. Ein Ansatz gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Quellenelemente innerhalb einer geometrischen Abgrenzung durch Senkenelemente in Kombination mit den vorher erwähnten Vermeidungsabgrenzungen zu ersetzen. Weil ein Fahrzeug zu Senkenelementen hingezogen wird, lenken die Senkenelemente das Fahrzeug somit zu einem bestimmten Ort oder lenken das Fahrzeug zu einer bestimmten Geschwindigkeit und einem bestimmten Ort und halten das Fahrzeug davon ab, mit anderen Fahrzeugen in der Formation zu kollidieren.
Die 10A und 10B stellen die Situation dar, in der zwei Flugzeuge 420A und 420B in einer Formation operieren. In einem Ansatz stellt das führende Flugzeug 420A Daten für das nachfolgende Flugzeug 420B bereit, die für das nachfolgende Flugzeug 420B akzeptable Positionen des Formationsfluges definieren. Diese bereitgestellten Daten definieren für das nachfolgende Flugzeug 420B geometrische Senkenelemente 520. 10A ist eine Seitenansicht der Flugzeuge 420A und 420B in Formation. Es sind auch die Abgrenzungen 510 um jedes Flugzeug 420A bzw. 420B gezeigt, welche die Grenzen der Ausdehnung des Quellenpotentialfeldes darstellen, das definiert werden kann. Die Abgrenzung 540 stellt eine Grenze der Ausdehnung des Quellentangentialfeldes dar. Die Abgrenzung 530 stellt eine Grenze der Ausdehnung des Senkenpotentials dar, und die Senkenpotentiale haben keinen geometriebasierten Vermeidungsvektor außerhalb dieser Abgrenzung. Innerhalb dieser Abgrenzung ist die Stärke der Senke 520 durch Funktionen k₁(x) und k₂(x) definiert, die ähnlich wie f₂(x) und f'₂(x) konstruiert sind, wobei die Definition von L nun eine Fläche ist. Somit zieht die Senke 520 nur Objekte an, die sich innerhalb der Grenzen der Abgrenzung 530 befinden. Die Abgrenzungen 510 fungieren als geometrische Abgrenzungen 310, die in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, und verhindern dadurch Kollisionen der Flugzeuge 420A, 420B, während die Senken 520 die Flugzeuge 420A, 420B zu vordefinierten relativen Positionen lenken.
Der Mechanismus, durch den die Effekte der Senken 520 zu den räumlichen Vermeidungslenkungsgleichungen hinzugefügt werden, ist der Folgende:
Innerhalb der Abgrenzung 530 ist der Vektor e_{anziehend-Senke} so konstruiert, dass Eanziehend-Senke = k1(x)eSenkenzeiger + k2(x)egewünscht, (7a)wobei e_Senkenzeiger ein Vektor in der Richtung von dem Fahrzeug zu einem Mittelpunkt einer Senke ist, wobei 0 ≤ k₁(x) ≤ ∞ und 0 ≤ k₂(x) ≤ ∞, so dass k₁(x) und k₂(x) nicht beide Null sind, und wobei k₁(x) = 0, wenn das Fahrzeug 10 mit der Oberfläche L (nicht gezeigt) zusammenfällt, und k₂(x) = 0, wenn das Fahrzeug 10 mit der Senke 520 zusammenfällt. k₁(x) und k₂(x) sind beide lineare oder nicht-lineare stetige Funktionen, wobei x eine parametrisierte Konstante, Funktion oder Familie von Funktionen ist, wie es oben beschrieben wurde. Wie oben sollten die Funktionen k₁(x) und k₂(x) so konstruiert sein, dass ||E_{anziehend-Senke}|| ≠ 0.
Der Vektor e_{anziehend-Senke} wird in Gleichung 7b basierend auf dem in Gleichung 7a berechneten E_{anziehend-Senke} berechnet eanziehend-Senke = Eanziehend-Senke /||Eanziehend-Senke||. (7b)
Wie für den Fachmann ersichtlich ist, wird der e_{anziehend-Senke}-Richtungsvektor dann mit dem e_Vermeidung-Befehl gemäß den nachstehenden Gleichungen 8a und 8b gemischt, Um e_{Vermeidung-final} zu erhalten und auf diese Weise Kollisionen zu vermeiden. eVermeidung-final = EVermeidung-final /||EVermeidung-final|| (8a) EVermeidung-final = z1(x)egewünscht + z2(x)etan, (8b) wobei 0 ≤ z₁(x) ≤ ∞ und 0 ≤ z₂(x) ≤ ∞, so dass z₁(x) und z₂(x) nicht beide Null sind, und wobei z₁(x) = 0, wenn das Fahrzeug 10 mit der Oberfläche L (nicht gezeigt) zusammenfällt, und z₂(x) = 0, wenn das Fahrzeug 10 mit der Senke 520 zusammenfällt. z₁(x) und z₂(x) sind beide lineare oder nicht-lineare stetige Funktionen, wobei x eine parametrisierte Konstante, Funktion oder Familie von Funktionen ist, wie es oben beschrieben wurde. Wie oben sollten die Funktionen z₁(x) und z₂(x) so konstruiert sein, dass ||E_{Vermeidung-final}|| ≠ 0.
Der e_{anziehend-Senke}-Richtungsvektor wird dann der e_gewünscht-Vektor der ersten zwei Beispiele. Somit wird das folgende Fahrzeug, wenn es sich dem führenden Fahrzeug nähert, zu den Senkenorten hingesteuert und weg von dem führenden Fahrzeug. Wenn das folgende Fahrzeug beginnt, sich zu verlangsamen oder sich weg zu bewegen, wird es, abhängig von der Definition der Übergangszone, anfangen, die Vermeidungsbefehle zu ignorieren und zu den Senkenorten hin gesteuert zu werden. In dieser Diskussion wird die Übergangszonendefinitionen wichtig.
Für eine Formationsmanövrierung, wie etwa Fliegen, kann die Übergangszone über Zeit, Raum oder basierend auf dem Zustand des Fahrzeuges dynamisch variiert und/oder ihr Einfluss dynamisch erhöht oder verringert werden, um den Einfluss genauer auf die Fahrzeuge zuzuschneiden. Genauer kann die Übergangszone z.B. in der Situation, in der sich Flugzeuge einer Formation anschließen, nur dann erzeugt werden, wenn eine bestimmte Bedingung oder bestimmte Bedingungen erfüllt sind, wie etwa, wenn die Annäherungsgeschwindigkeit zwischen den Fahrzeugen unter einem bestimmten Grenzwert liegt. In ähnlicher Weise kann die Übergangszone entfernt werden, wenn ein Flugzeug be ginnt, sich von einem anderen zu entfernen. Mit solch einem Ansatz beeinflusst die Übergangszone und somit der Effekt der anziehenden Senke, wenn sich ein Flugzeug einem anderen Flugzeug mit einer zu großen Geschwindigkeit nähert, nicht die Lenkung des Fahrzeuges, sondern der Vermeidungsalgorithmus befiehlt dem Fahrzeug unbeeinflusst von der Senke, so zu manövrieren, dass eine Kollision verhindert wird. Sobald jedoch die vermeidungsalgorithmusbasierten Steuerbefehle die Fahrzeuge in eine sichere Trennungsentfernung bewegt haben, wird die Übergangszone erzeugt und der e_{anziehend-Senke}-vektorbasierte Effekt steuert die Fahrzeuge zu der gewünschten Position zum Formationsflug hin. Daher bewirkt der Vermeidungsalgorithmus sogar dann, wenn die Fahrzeuge sich einander mit einer zu großen Geschwindigkeit nähern, dass sie einander vermeiden. Wenn die Fahrzeuge beginnen, sich auseinanderzubewegen und einen sicheren Abstand erreicht haben, ist der e_{anziehend-Senke}-Vektor wieder die gewünschte Richtung, in die das Fahrzeug fliegt.
Es ist anzumerken, dass die oben beschriebene und in den 10A und 10B gezeigte Implementierung von den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, dass keine geometriebasierten Vermeidungsbefehle durch die Senkenelemente erzeugt werden. Genauer werden die durch die Flugzeugvermeidung unter Verwendung von 420 und 510 entwickelten geometriebasiertne Befehle mit den nicht-geometriebasierten anziehenden Befehlen gemischt, um den endgültigen Formationsflug-Lenkungsbefehl zu definieren.
10A zeigt auch die Formationsvermeidungsbefehle, die für das Flugzeug 420B an jedem von sechs relativen Positionen zwischen Flugzeug 420A und 420B erzeugt werden. Genauer zeigt
10A sechs Pfeile, die den Formationsvermeidungsbefehl darstellen, den das Flugzeug 420B erhalten würde, wenn sich das Flugzeug 420B an der entsprechenden Formationsposition f₁, f₂, f₃, f₄, f₅ bzw. f₆ befinden würde. Wenn sich das nachfolgende Flugzeug 420B dem führenden Flugzeug 420A nähert, steuern die entsprechenden Vermeidungsbefehle das Flugzeug 420B zu der Senke 520. Wenn sich das Flugzeug 420B dem Flugzeug 420A so dicht annähert, dass es in den Bereich des Quellenfeldes 510, das das Flugzeug 420A umgibt, gelangt, würde das Flugzeug 420B dann einen weiteren Lenkungsbefehl erhalten, um eine Kollision zu vermeiden.
Die Flugzeuge 420A und 420B können die Formation aufheben, indem sie sich entweder über das oben beschriebene Lenkungsverfahren hinwegsetzen, oder können die Formation aufheben, während sie sich noch unter solch einem Lenkungsverfahren befinden, indem sie die Senken 520 abschalten. In Abwesenheit der anziehenden Kraft von den Senken 520 würden die Flugzeuge 420A und 420B sich trennen.
Es ist ersichtlich, dass die Größe und der Ort der Abgrenzungen und der Senken angepasst werden müssen, um den gewünschten Abstand und die gewünschten relativen Positionen der Fahrzeuge in einer gegebenen Formation zu erreichen. Weil die vorliegende Erfindung nicht auf eine Abgrenzung fester Größe oder Form beschränkt ist, kann die Größe und Form der Abgrenzungen eingestellt werden, um die Erfordernisse einer bestimmten Situation zu erfüllen. Zum Beispiel hat das Erhöhen der Größe der geometrischen Abgrenzung Vermeidungsbefehle zur Folge, die in einer weiteren Entfernung von einem Fahrzeug wirken können. Auf der anderen Seite erlaubt es das Verringern der Abgrenzungsgröße, dass ein zweites Fahrzeug (oder Bedrohung) sich dichter an ein erstes Fahrzeug bewegen kann, bevor Vermeidungslenkungsbefehle erzeugt werden würden.
Außerdem kann für Formationsflug die Größe der Abgrenzungen basierend auf der relativen Geschwindigkeit zwischen den Fahrzeugen dynamisch geändert werden. Zum Beispiel kann die Größe der Abgrenzungen auf eine minimale sichere Größe verringert werden, wenn die relative Geschwindigkeit zwischen den Fahrzeugen nahezu Null ist. Wenn jedoch die relative Geschwindigkeit zwischen den Fahrzeugen groß ist, kann die Größe der Abgrenzungen erhöht werden, um einen Kollisionsvermeidungsschutz innerhalb der Manövrierbarkeitsgrenzen der Fahrzeuge zu erlauben.
Die 10A und 10B zeigen auch, dass eine gegebene Situation mehrere Senken 520 und/oder Quellen 510 innerhalb einer einzelnen Abgrenzung 530 umfassen kann. Die vorliegende Erfindung kann mit einer beliebigen Anzahl von Senkenpotentialelementen angewendet werden, die jeweils einzelne Punkte darstellen, oder viele Senkenpotentiale können kollektiv eine Senkenfläche oder -kurve definieren.
Beispiel 2: Geometrische Doppelzonenabgrenzung mit kombinierter Quelle und Senke
Ein weiteres mögliches Verfahren zur Störungsvermeidung beim Fliegen in einer Formation ist in 10C gezeigt. Ein Mehrzonenverfahren mit einer geometrischen Quellenabgrenzung 510 geht von einem Punkt aus und umgibt das Fahrzeug 420A und definiert dadurch eine erste Zone 510. Eine geometrische Senkenabgrenzung 520 geht von demselben Punkt an Fahrzeug 420A aus und umgibt die geometrische Quellenabgrenzung 510 und erzeugt dadurch eine zweite Zone oder einen interaktiven Bereich bzw. Wechselwirkungsbereich 525 zwischen der geometrischen Quellenabgrenzung 510 und der geometrischen Senkenabgrenzung 520. Mit der geometrischen Quellenabgrenzung 510 wird der Vermeidungsvektor wie in dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt berechnet. Jenseits der geometrischen Senkenabgrenzung 520 wird der Vermeidungsvektor wie oben in dem zweiten Ausführungsbeispiel offenbart berechnet. Innerhalb des interaktiven Bereiches 525 zwischen der geometrischen Quellenabgrenzung 510 und der geometrischen Senkenabgrenzung 520 wird der Vermeidungsvektor als eine Kombination der abstoßenden Kraft der geometrischen Quellenabgrenzung und der anziehenden Kraft des Senkenpotentials der geometrischen Senkenabgrenzung berechnet. Dadurch kann ein resultierender relativer Vermeidungsvektor für jeden Punkt innerhalb des interaktiven Bereiches 525 berechnet werden.
Das räumliche Lenkungsverfahren des obigen Beispiels 2 arbeitet in der Weise, dass, wenn das Fahrzeug 420B außerhalb der geometrischen Doppelabgrenzungen 510, 520 fliegt, das Fahrzeug 420B zu der Senkenabgrenzung 520 angezogen und der Vermeidungsvektor zu dem Fahrzeug 420A hin gerichtet wird. Wenn sich das Fahrzeug 420B innerhalb des interaktiven Bereiches 525 befindet, steuert der relative Vermeidungsvektor das Fahrzeug 420B, um eine Position innerhalb dieses Bereichs 525 basierend auf gewichteten Funktionen beizubehalten. Wenn sich das Fahrzeug 420B der geometrischen Quellenabgrenzung 510 nähert, wird die abstoßende Komponente des relativen Vermei dungsvektors erhöht oder zugunsten der Richtung weg von dem Fahrzeug 420B gewichtet, wodurch das Fahrzeug 420B effektiv von dem Fahrzeug 420A weg gesteuert wird. Wenn sich das Fahrzeug 420B von der geometrischen Quellenabgrenzung 510 weg bewegt, wird die anziehende Komponente des relativen Vermeidungsvektors erhöht oder zugunsten der Richtung zu dem Fahrzeug 420A hin gewichtet, wodurch das Fahrzeug 420B effektiv zu dem Fahrzeug 420A hin gesteuert wird.
Der Nutzen dieses Ansatzes besteht darin, dass Lösungen nur für eine Quelle und eine Senke berechnet werden müssen. Ferner gestattet es dieser Ansatz einem Fahrzeug in Formation, sich unabhängig von anderen in alle Richtungen innerhalb des interaktiven Bereiches zu bewegen, der eines der Fahrzeuge umgibt. Ferner können, abhängig von den Erfordernissen, die Abgrenzungen der Quelle und der Senke in jeder Größe und Form ausgebildet werden. Gleichungen zum Berechnen des Vermeidungsvektors innerhalb des interaktiven Bereiches sind ähnlich zu den obigen Gleichungen (1a) bis (8b). Wie für einen Fachmann ersichtlich ist, würden die obigen Gleichungen, angepasst für die besondere Geometrie des Ausführungsbeispiels, in derselben Weise angewendet werden.
In einer Modifikation dieses Ansatzes, die in 10D gezeigt ist, könnten alle Fahrzeuge in Formation geometrische Doppel-Quellen- und Senkenabgrenzungen haben, wodurch ein jedes Fahrzeug umgebender Bereich zum Formationsflug bereitgestellt wird und eine vollständigere Vektorvermeidungssteuerung während des Formationsfluges ermöglicht wird. Wie gezeigt, bildet sich ein Senkenüberlappbereich 526 zwischen den geometrischen Senkenabgrenzungen von Fahrzeugen, die in einer rela tiv dichten Nähe zu einem Abgrenzungsbereich eines anderen Fahrzeugs fliegen. Durch dieses Verfahren ist es möglich, den geeigneten Steuervektor für eine Vielzahl von Fahrzeugen zu berechnen und eine gewünschte Trennungsentfernung zwischen ihnen während des Formationsfluges beizubehalten. Wie für einen Fachmann ersichtlich ist, würden die obigen Gleichungen, angepasst für die besondere Geometrie des Ausführungsbeispiels, in derselben Weise angewendet werden. Die Gleichungen zum Berechnen der miteinander in Beziehung stehenden Vermeidungsvektoren innerhalb der miteinander in Beziehung stehenden interaktiven Bereiche mehrerer Fahrzeuge sind wesentlich komplizierter als bei den einfachen vorherigen Beispielen. Jedoch sind diese Gleichungen funktionell ähnlich.
Beispielhafte Felddiagramme, die unter Verwendung des Verfahrens für Vielfach-Quellen- und Senkenbedingungen erzeugt wurden
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung und die Ergebnisse der Anwendung der vorliegenden Erfindung werden weiter durch die Vektorfelddiagramme in den 11 bis 19 erläutert. Diese Vektorfelddiagramme sind Simulationsergebnisse von der Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, wie es auf verschiedene Situationen angewendet wurde, einschließlich stationärer Hindernisse und/oder stationärer Fahrzeuge in einem zweidimensionalen Raum. Der Grund für das Anwenden der vorliegenden Erfindung auf einen zweidimensionalen Raum und auf stationäre Hindernisse und/oder stationäre Fahrzeuge in der folgenden Diskussion liegt nur in der Einfachheit der Erläuterung. Fachleute erkennen, dass die vorliegende Erfindung mit gleicher Leichtigkeit auf Dimensionen oberhalb von zwei und sowohl auf sich bewegende Hindernisse als auch auf sich bewegende Fahrzeuge angewendet werden kann, dass jedoch statische Figuren, die solche dynamischen Situationen wiedergeben, schwieriger zu erzeugen sind. Wenn darüber hinaus die in 11 bis 19 gezeigten geometrischen Abgrenzungen aus Kreisen und Ebenen bestehen, stellt dies keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar. In der Praxis können die Abgrenzungen durch jede glatte Funktion dargestellt werden.
Die 11 bis 19 wurden unter Verwendung gewichteter Funktionen der folgenden Form konstruiert, die auch die Absicht der allgemeinen Funktionsbeschreibungen der Gleichungen 1a bis 6b veranschaulichen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel diskutiert wurden. Beim Diskutieren spezieller Beispiele des vorliegenden Verfahrens wird die folgende Diskussion jedoch aus Gründen der Klarheit und Kürze beschränkt und speziell auf dasjenige des ersten Ausführungsbeispiels gerichtet. Es ist ersichtlich, dass das Verfahren in ähnlicher Weise auf alle Ausführungsbeispiele, die hierin diskutiert wurden, angewendet werden könnte und ähnliche Ergebnisse berechnet werden könnten.
Nun auf die 11 bis 19 Bezug nehmend, umfassen die Gleichungen, die verwendet wurden, um die Vektordiagramme zu berechnen: E'tan = h1(x)eN + h2(x)etan, (A)wobei h1(x) = 0,0 und h2(x) = 1,0.
Ferner umfassen die Gleichungen: EVermeidung = f1(x)egewünscht + f2(x)e'tan, (B)wobei, wenn egewünscht · er0 < 0, f1(x) = x, wobei rdist/r0,und f2(x) = –x*(egewünscht · etan) + sqrt (1–x2 (1–(egewünscht · etan)2)),wobei r_dist die Entfernung von dem gegenwärtigen Punkt zu dem nächsten Punkt an der Störung ist und r₀ die Entfernung von dem gegenwärtigen Punkt zu dem Störungsdefinitionspunkt ist.
Ein Ergebnis der obigen f₁(x)- und f₂(x)-Konstruktion ist, dass E_Vermeidung nun ein Einheitsvektor mit einer Richtung und einer Einheitsgröße ist und somit: eVermeidung = EVermeidung.
Ferner, wie gemäß den Gleichungen des ersten Ausführungsbeispiels berechnet: E*tan = g1(x,γ)egewünscht + g2(x,γ)e'tan, (C)wobei die Funktion g₁(x,γ) und g₂(x,γ) wie im Folgenden gezeigt implementiert wurden. In den nachstehenden Gleichungen müssen zwei prinzipielle Situationen berücksichtigt werden: (A), wo (egewünscht · er0) < 0 und (B), wo (–ert0 · er0) ≤ 0.In den folgenden Gleichungen:
x ist oben definiert als (x = r_dist/r₀)
γ ist eine durch die folgenden bedingten Anweisungen definierte Abgrenzung.
In der ersten Situation (A), in der (e_gewünscht · e_r0) <0, müssen zwei Unterfälle berücksichtigt werden:
(1) Wenn: (–ert0 · er0) >0 und (–ert0 · egewünscht) >0 dann g2(x,γ) = (1+(egewünscht · er0) (–ert0 · er0) (–ert0 · egewünscht)),mit g1(x,γ)) = –g2(x,γ) * (e'tan · egewünscht) + sqrt(1–g2(x,γ)2 * (1–(e'tan · egewünscht)2)), wenn e'tan · egewünscht > 0,und g1(x,γ) ) = sqrt (1–g2(x,γ)2), wenn e'tan · egewünscht ≤ 0
(2) Ansonsten, wenn (–ert0 · er0) ≤ 0 oder wenn (–ert0 · egewünscht) ≤ 0 g1(x,γ) = 0,0 g2(x,γ) = 1,0.
In der zweiten Situation (B), wobei (e_gewünscht · e_r0) < 0, müssen zwei Fälle berücksichtigt werden:
(1) Wenn : (egewünscht · er0 ) < 1 g2(x,γ) = (1–(egewünscht · er0))*x g1(x,γ) = –g2(x,γ)*(e'tan · egewünscht ) + sqrt (1–g2(x,γ)2*(1–(e'tan · egewünscht)2))
(2) Ansonsten, wenn (egewünscht · etan) ≥ 1 g1(x,γ) = 1,0 g2(x,γ) = 0,0.
In jeder der obigen Gleichungen ist e_r0 der Einheitsvektor von dem gegenwärtigen Punkt zu dem Störungsdefinitionspunkt, e_rt0 ist der Einheitsvektor von dem Zielort zu dem nächsten
Punkt an der Störung, und x ist eine stetige Funktion. Das Symbol "·" stellt die Vektor-Punktprodukt-Funktion dar.
Das obige Beispiel veranschaulicht die Typen von Mischungsfunktionen, die bei der Entwicklung der Beispiele verwendet wurden, und stellt nicht spezielle Algorithmen dar, die erforderlich sind, um das Verfahren der Erfindung zu implementieren.
Wie in den 11 bis 19 gezeigt, stellt jeder Punkt in dem Feld einen möglichen Ort eines Fahrzeugs dar, und die kleine Linie, die von jedem Punkt ausgeht, gibt die Richtung des Vermeidungslenkungsbefehls (e_Vermeidung) an, den das Fahrzeug erhalten würde, wenn es sich an diesem Punkt befinden würde. In jeder der 11 bis 19 ist der nominelle gewünschte Lenkungsbefehl von jedem der Punkte in dem Vektorfeld eine gerade Linie von diesem Punkt zu dem gewünschten Zielort.
Genauer stellt 11 eine Situation dar, in der nur eine Störung 300 vorhanden ist. Wie oben angegeben, ist der nominelle gewünschte Lenkungsbefehl 611 ein Vektor, der von einem beliebigen der Punkte 612 in dem Vektorfeld ausgeht, eine gerade Linie in eine Richtung von diesem Punkt 612 zu dem gewünschten Zielort 610. Wie in 11 zu sehen ist, ist die Richtung des Lenkungsbefehls 611, wie durch die Richtung der kleinen Linien, die von den Ortspunkten 612 ausgehen, angegeben, eine Funktion des Ortes des Punktes in dem Feld relativ zu sowohl der Störung 610 als auch dem Zielort. Für die Punkte 612, die weit von der Störung 300 weg sind, wie etwa die Punkte 612 in der oberen rechten Ecke des Feldes, ist die Richtung des Lenkungsbefehls 611 nahezu eine gerade Linie zu dem Ziel ort 610 hin und ist im Wesentlichen unbeeinflusst durch die Störung 300.
Im Gegensatz dazu geben die Punkte 612, die sich relativ zu dem Zielort 610 hinter dem Hindernis 300 befinden, eine Richtung des Lenkungsbefehls 611 an, die ein Fahrzeug (nicht gezeigt) gleichmäßig um die Störung 300 herum steuert. Es ist anzumerken, dass das Ausmaß, indem der Lenkungsbefehl 611 sich von der nominellen gewünschten Richtung unterscheidet, als eine Funktion der Entfernung von dem Punkt 612 zu der Abgrenzung 620 variiert. Dies liegt daran, dass der Lenkungsbefehl 611 durch Zusammenmischen der nominellen gewünschten Richtung und e_int in verschiedenen Anteilen abhängig von der Entfernung von der Störung 300 bestimmt wird.
Es ist auch anzumerken, dass die Richtung des Lenkungsbefehls 611 für jeden Punkt gleichmäßig von dem Inneren der Abgrenzung 620 zu dem Äußeren der Abgrenzung 620 übergeht. Somit können Fahrzeuge sogar in dem Fall gleichmäßig gesteuert werden, in dem geometrische Störungsabgrenzungen 620 überschritten werden.
12 stellt eine Situation dar, in der mehrere Störungen in dem Vektorfeld vorhanden sind. Während nur eine Störung mit einem Bezugszeichen 300 in 12 gezeigt ist, ist jeder der drei schwarzen Punkte, die durch einen Kreis umgeben sind, eine Störung 300, wobei der umgebende Kreis jeder Störung 300 ihre entsprechende Abgrenzung 620 ist. In dem Fall, indem mehr als eine Störung 300 vorhanden ist, wird eine Vermeidungsrichtung für jede Störung für alle Positionen oder Punkte 612 in dem Vektorfeld berechnet. Dann wird eine Gewichtungsfunktion für jede Position 612 verwendet, um die basierend auf jeder der verschiedenen Störungen 300 berechneten Lenkungsbefehle zu priorisieren. Durch Gewichten des Beitrags jedes berechneten Lenkungsbefehls und ihr Zusammenmischen, um einen einzigen normalisierten Lenkungsbefehl 611 zu erzeugen, kann der Einfluss mehrerer Störungen 300 gleichzeitig berücksichtigt werden.
Beim Gewichten der berechneten Lenkungsbefehle wurden zwei operative Zonen definiert, und separate Gewichtungsfunktionen wurden für eine Anwendung in jeder Zone definiert. Die erste operative Zone befindet sich innerhalb einer Abgrenzung, und die zweite operative Zone befindet sich außerhalb einer Abgrenzung.
In dem Fall, in dem sich der Punkt innerhalb der Abgrenzung befindet, wird die nachstehende Gewichtungsfunktion (10a) verwendet. In dem Fall, in dem sich der Punkt außerhalb der Abgrenzung befindet, wird die Gewichtungsfunktion (11a) verwendet. WI = M/(%RI) (10a) WO = 1 / (%RI · R2 · MAX (%RO, M/ (%RI))), (11a)wobei
(%_RI) < 1 innerhalb der geometrischen Abgrenzung und
(%_RI) > 1 außerhalb der geometrischen Abgrenzung.
Wie aus der obigen Gleichung (10a) ersichtlich ist, wird der Vermeidungsvektor in dem Fall eines Punktes, der sich in nerhalb der Abgrenzung befindet, für den aus jeder der Störungen berechneten Vermeidungsvektor durch den prozentualen Anteil des Eindringens in die geometrische Abgrenzung (%_RI) entlang eint geteilt und mit M, der Anzahl von Störungen in dem Raum, multipliziert. Um den zusammengesetzten (oder finalen) Vermeidungsbefehl zu bestimmen, werden alle skalierten Vermeidungsbefehle summiert und das Ergebnis normalisiert, um den finalen Vermeidungsbefehl zu erzeugen, wie es durch die Lenkungsbefehlsvektoren in 12 gezeigt ist. Somit kann die Bestimmung des finalen Vermeidungsbefehls wie unten in Gleichung (10b) gezeigt ausgedrückt werden.
wobei n die Zahl 1 bis M des in der Gewichtungsfunktion berücksichtigen Punktes ist.
Wie aus der obigen Gleichung (11a) ersichtlich ist, wird der Vermeidungsvektor in dem Fall eines Punktes, der sich außerhalb der Abgrenzung befindet, für den aus jeder der Störungen berechneten Vermeidungsvektor durch eine nicht-lineare Funktion gewichtet, die eine Funktion der prozentualen Entfernung außerhalb der Abgrenzung relativ zu dem lokalen geometrischen Abgrenzungsradius (%_RO), des lokalen geometrischen Abgrenzungsradius R und W_I ist.
Wie bei Punkten innerhalb der Abgrenzung, werden zur Bestimmung des zusammensetzten (oder finalen) Vermeidungsbefehls alle skalierten Vermeidungsbefehle summiert und das Ergebnis normalisiert, um den finalen Vermeidungsbefehl zu erzeugen.
Somit kann die Bestimmung des finalen Vermeidungsbefehls wie unten in Gleichung (11b) gezeigt ausgedrückt werden.
Es ist anzumerken, dass die Gewichtungsfunktion, die verwendet wird, um die aus jeder der Störungen berechneten Vermeidungsbefehle zu gewichten, nicht auf die oben beschriebenen Funktionen (10a) und (11a) beschränkt ist und dass andere Gewichtungsfunktionen verwendet werden können.
Die in den 13 bis 19 gezeigten Lenkungsbefehlsvektoren wurden auf Basis desselben Gewichtungsansatzes bestimmt, der oben für 12 beschrieben wurde.
13 stellt eine Situation dar, in der mehrere Störungen in dem Vektorfeld vorhanden sind und in der sich Abgrenzungen 620 der Störungen überlappen. Obwohl nur eine Störung 300 in 12 ein Bezugszeichen aufweist, ist jeder der schwarzen Punkte, die von einem Kreis umgeben sind, eine Störung 300, wobei der umgebende Kreis jeder Störung ihre entsprechende Abgrenzung 620 ist. Die in 13 gezeigten Lenkungsbefehlsvektoren wurden auf Basis desselben Gewichtungsansatzes bestimmt, der oben für 12 beschrieben wurde.
14 stellt eine Situation dar, die im Wesentlichen ähnlich zu der in 13 gezeigten ist, aber in der die Störung als eine aus einer unendlichen Anzahl von Quellenelementen bestehende Kurve oder Fläche modelliert ist. Die Berechnung von %_RI basiert auf der Länge von der Abgrenzungsfläche 620 zu der Quellenfläche 613 entlang e_int statt von der Abgrenzungsfläche 620 zu dem Mittelpunkt des Hindernisortes 300.
15 stellt eine Situation dar, die im Wesentlichen ähnlich zu der in 14 gezeigten ist, aber in welcher der Zielort 610 sich innerhalb einer geometrischen Abgrenzung 620 befindet. Es ist hier anzumerken, dass die Lenkungsbefehlsvektoren 611, wie gezeigt, ein Fahrzeug in eine geometrische Abgrenzung 620 steuern, um den Zielort zu erreichen, während sie die Fläche der Quellenpotentiale 613 vermeiden.
16 stellt eine Situation dar, die im Wesentlichen ähnlich zu der in 14 gezeigten ist, aber in der eine der Abgrenzungen 620 eine operative Abgrenzung bzw. Grenze 620A ist, wie etwa ein maximaler Höchstwert, und somit ein nicht geschlossenes unendliches Hindernis in der Vermeidungsvektorlösung ist.
17 stellt eine Situation dar, die im Wesentlichen ähnlich zu der in 16 gezeigten ist und die einen zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung demonstriert. Genauer wurden in den vorangegangenen Diskussionen der Tangentenvektor an der geometrischen Abgrenzung immer als in der Richtung des gewünschten Lenkungsbefehls liegend beschrieben. In einigen Situationen, wie etwa gesteuerten Verkehrsmustern, ist es erwünscht, den Tangentenvektor an der geometrischen Abgrenzung in einer Richtung zu verwenden, die unabhängig von dem gewünschten Lenkungsbefehl ist. Solch eine Verwendung der Tangentensteuerung ist auf das Management von Schifffahrtswegen oder anderen Verkehrsmustern anwendbar, in denen Regeln in Bezug darauf existieren, Fahrzeuge welcher Größe vermieden wer den sollten. Dementsprechend ist in 17 eine der Störungen 300B definiert worden, um den gegenwärtigen Punkt in eine Richtung im Uhrzeigersinn um die Störung zu steuern; eine weitere Störung 300A ist definiert worden, um den gegenwärtigen Punkt in eine Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn um die Störung zu steuern.
18 stellt eine Situation dar, die im Wesentlichen ähnlich zu der in 17 gezeigten ist und die einen zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung demonstriert. Genauer ist eines der Quellenelemente durch ein Senkenkurvenelement 614 ersetzt worden. Wie oben diskutiert, hat solch ein Element den Effekt des Anziehens eines Fahrzeuges zu seinem Ort. Diese Art von Anordnung kann in logistischen Planungsmodellen angewendet werden, in denen ein Sammelbereich zum Ansammeln von Fahrzeugen an einem Ort definiert ist. Sobald die Fahrzeuge an dem Ort gesammelt worden sind, könnte das Senkenelement 614 abgebaut werden, um es der angesammelten Gruppe zu erlauben, sich durch den Rest des Raumes zu dem endgültigen Bestimmungsort 610 weiter zu bewegen. 18 stellt auch Aspekte des Formationsfliegens dar, wie es unter Bezugnahme auf das dritte Ausführungsbeispiel diskutiert worden ist.
19 stellt eine im Verkehrsmanagement zutreffende Situation dar. In dieser Anordnung sind Senkenelemente 614 so definiert, dass sie sich entlang eines definierten Korridors 701 in die Richtung des Pfeils A bewegen. Weil Fahrzeuge zu den Senken 614 hin angezogen werden und weil die Senken 614 gesteuert werden, um sich entlang des definierten Korridors 701 in einer gesteuerten Weise zu bewegen, schließen sich die Fahrzeuge der gesteurten Bewegung der Senken 614 automatisch an und folgen dieser automatisch. Wie in 19 gezeigt, weist der Korridor 701 Abgrenzungen 700 auf, die dazu neigen, Fahrzeuge, die sich noch nicht in eine Position an einer Senke 614 bewegt haben, auf den Korridor 701 einzuschränken. Wie es ebenfalls gezeigt ist, kann die Abgrenzung 720 jeder Senke 614 gemäß der Größe des Korridors 701 dimensioniert werden.
VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
(Steuerung mit 6 Freiheitsgraden (6-DOF), wobei sich sowohl das Fahrzeug als auch das Objekt innerhalb einer geometrischen Abgrenzung befinden)
Als nächstes wird die Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur Steuerung von Fahrzeugen in 6DOF als ein viertes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie in den 14 bis 19 gezeigt, sind Störungen 300 in geometrischen Abgrenzungen 620 enthalten oder hinter diesen angeordnet. Jedoch sind gemäß dem in den 20 und 21 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowohl das zu steuernde Fahrzeug als auch die Störungen in geometrischen Abgrenzungsflächen enthalten, die verwendet werden können, um die für in 6-DOF arbeitenden Fahrzeuge und Objekte erforderliche Steuerung zu bestimmen.
Wie als nächsten beschrieben wird, erzeugt in dem Fall, in dem sowohl das zu steuernde Fahrzeug 810 als auch die zu vermeidenden Störungen 800 in geometrischen Abgrenzungsflächen 811a, 811b enthalten sind, eine Wechselwirkung zwischen den Flächen in einem Einflussfeld 813 ein Moment um das gelenkte Fahrzeug. Dieses Moment kann verwendet werden, um den Lenkungsansatz und das Lenkungsverfahren zu erweitern.
Genauer können die bislang beschriebenen Ansätze und Verfahren zum Steuern von Raketensystemen eine Richtungslenkung nur in drei Freiheitsgraden (3-DOF) bereitstellen (d.h. Translationsbewegungen entlang der Richtungen der x-, y- und z-Achse). Jedoch kann in der Situation, in der eine Quellenpotentialkurve oder -fläche 811b verwendet wird, um das gelenkte Fahrzeug 810 darzustellen, und eine Quellenpotentialkurve oder -fläche 811a auch verwendet wird, um eine Störung 800 darzustellen, eine Ausdehnung der Lenkungsbefehle 611 auf 6-DOF (d.h. sowohl Translationsbewegungen entlang jeder der Richtungen x, y und z als auch Drehbewegungen um jede der Richtungen x, y und z) erreicht werden. Insbesondere erfordert das 6-DOF-Verfahren jedoch gegenüber den vorhergehenden 3-DOF-Ausführungsbeispielen zusätzliche Zustandsinformationen. Die vorhergehenden Ausführungsbeispiele erfordern keine Lageinformation, während die 6-DOF-Steuerung eine Kenntnis der Lage des Fahrzeugs 810 zusammen mit weiterer Zustandsinformation erfordert. Ferner können zusätzliche Implementierungen des 6-DOF-Lenkungssystems erzeugt werden, wenn auch Bedrohungs-, Störungs- oder Ziellageinformationen geliefert werden.
Genauer kann der Effekt durch Verwendung des Vektors e_int und der Entfernungen zu einigen oder allen der Punkte konstruiert werden, die durch Vektoren definiert sind, die parallel zu e_int sind, die sowohl die Störungs-Quellenpotentialkurve oder -fläche 811a als auch die Fahrzeug-Quellenkurve oder -fläche 811b schneiden. An jedem der Schnittpunkte auf der Quellenkurve 811b des gelenkten Fahrzeugs wird eine Gewich tungsfunktion auf mittlere Normalen- und mittlere Tangentenvektoren der Störungs-Quellenpotentialkurve 811a angewendet. Die Gewichtungsfunktion basiert auf der entsprechenden Entfernung zu der Störungs-Quellenpotentialkurve 811a in dem Einflussfeld 813. Durch diesen Ansatz kann eine verteilte abstoßende Kraft entlang der Quellenpotentialkurve 811b des gelenkten Fahrzeuges konstruiert werden. Die verteilte Kraft, die um einen Punkt 812 in der Quellenpotentialkurve 811b des gelenkten Fahrzeuges angewendet werden kann, erzeugt ein Moment 817 um diesen Punkt 812, durch das die Befehle des Fahrzeugs verbunden werden können. In einem dreidimensionalen Fall würden die Momente dem Fahrzeug Drehbewegungs-Lenkungsbefehle liefern. Diese Drehbewegungs-Lenkungsbefehle können mit typischen Translationsbewegungs-Lenkungsbefehlen gekoppelt werden, um vollständige 6-DOF-Lenkungsbefehle zu liefern.
Derartige 6-DOF-Steuersysteme können sich positiv auf Systeme, wie etwa eine Rakete unter einer Endphasenbedingung, in der ein Gefechtskopf, der eine effektive Richtung hat, zum Abfangen des Ziels verwendet wird, auswirken.
Andere potentielle Anwendungen umfassen das Andocken von Schiffen und das Rendezvous und das Andocken von Raumschiffen, die die Handhabung von Schubdüsen erfordern, um präzise Andockmanöver zu erreichen.
20 stellt ebenfalls das Vektorfeld dar, wie es in 14 gezeigt ist, jedoch besitzt das Fahrzeug 810 nun an jedem Punkt eine effektive Lagen-Abgrenzungsfläche (zur Demonstration nur an einer Stelle gezeigt). Der effektiven Lagen-Abgrenzungsfläche des Fahrzeugs ist auch ein Drehpunkt zuge ordnet, der mit der Fahrzeugorientierung verbunden ist, so dass: eFahrzeug = Z(x)eeffOberfläche,wobei Z(x) eine reellwertige Konstante oder eine stetige lineare oder nicht-lineare Funktion und e_{effOberfläche} die effektive Lage-Abgrenzungsfläche des Fahrzeugs an einem einzigen Punkt an dem Fahrzeug und eine Funktion der Fahrzeug-Drehbewegung ist. Der Drehpunkt ist nicht auf den Schwerpunkt oder die Hauptachsen des Fahrzeuges beschränkt.
Der Einbeziehung der Fahrzeuglage erhöht die Lenkungs-Freiheitsgrade von den traditionellen 3-DOF auf 6-DOF, mit 3 Translations- und 3 Rotations-Freiheitsgraden. Das Erreichen der Rotations-Freiheitsgrade erfordert, dass das Fahrzeug 810 durch den Vermeidungsalgorithmus beeinflusst wird. Dies kann durch die Konstruktion eines scheinbaren Feldes zwischen der Störung bzw. den Störungen und dem Fahrzeug in der Weise, dass dem Lenkungsalgorithmus effektive Momente auferlegt werden, die wiederum einen gewünschten Fahrzeuglagenbefehl erzeugen (die in einem vorhergehenden Absatz beschriebene Funktion Z(x)), erreicht werden.
Der gewünschte Lagebefehl kann durch Integrieren einer entfernungsbasierten Funktion über die effektive Fahrzeugoberfläche erzeugt werden. Die Konstruktion der feld- oder entfernungsbasierten Funktion kann wie folgt beschrieben werden (siehe 21):
wobei T der resultierende Lagekorrekturvektor ist, K(x) eine Verstärkungsskalierungsfunktion ist, um die Stärke des Befehls zu regulieren, r ein lokaler Punkt auf der effektiven Oberfläche Sν des Fahrzeugs 10 ist (Oberfläche durch ν gekennzeichnet), r_obs ein lokaler Punkt an der Störungsoberfläche ist, r_P der Drehpunkt ist, um den die Fahrzeugorientierung gesteuert wird, e_Nν der Einheitsvektor senkrecht zu der effektiven Oberfläche Sν an dem Punkt r ist, e_obs der Einheitsvektor senkrecht zu der Störungsoberfläche S_obs an dem Punkt r_obs ist, L die Integrationsgrenzen sind, die den Teil der effektiven Fläche definieren, der in die Richtung der Störungsoberfläche S_obs (gekennzeichnet durch obs) zeigt, und L'(r) die Integrationsgrenzen sind, die den Teil der Störungsoberfläche definieren, der von dem gegenwärtigen Punkt r sichtbar ist.
Der resultierende Vektor T ergibt Lagebefehle um den Punkt r_P. Die Stärke der Befehle kann durch die Verstärkungsfunktion K(x) modifiziert werden, um Befehle zu ergeben, die eine stabile Lage-Lenkungslösung ergeben. Die Verstärkungsfunktion K(x) kann auch eine raumbasierte Funktion, eine zeitbasierte Funktion oder eine Funktion räumlicher Raten (Geschwindigkeit, Beschleunigung, usw.) sein, wodurch die Funktion K(x) die Größe auf Basis eines gegebenen Zustandes ändert. Eine Variation der Lenkungsverstärkungsgröße ist typisch für Lenkungsanwendungen dieser Art.
Es gibt verschiedene Wege, um die oben beschriebene Funktion zu implementieren. Das hier beschriebene vierte Ausführungsbeispiel trägt der Verwendung der Abgrenzungsdarstellungen Rechnung, um mehr Freiheitsgrade als in typischen Verfahren des Standes der Technik zu steuern.
Über das Bereitstellen eines Mittels für 6-DOF-Lenkungslösungen hinaus kann das vierte Ausführungsbeispiel über die Lenkung mit 6 Freiheitsgraden hinaus ausgedehnt werden, um N Lenkungsgrade durch Umgeben von Punkten oder Flächen von Interesse mit Abgrenzungen und durch anschließendes Anwenden der in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel beschriebenen Vermeidungsverfahren zusammen mit dem Verfahren des vierten Ausführungsbeispiels zu umfassen.
Während die verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bisher als ein Fahrzeugsteuerungs- oder -lenkungssystem beschrieben worden sind, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung in Hardware und/oder Software als Teil oder Gesamtheit eines Fahrzeuglenkungs-Steuersystems implementiert werden kann.
Lenkungs-Steuersysteme, die das räumliche Vermeidungsverfahren implementieren
In den 22 bis 24 sind Beispiele für Fahrzeuglenkungs-Steuersysteme dargestellt, die das oben beschriebene räumliche Vermeidungsverfahren implementieren.
Lenkungsprozessor für autonome Fahrzeuge
22 ist ein Beispiel einer Konfiguration für eine Lenkungs-Verarbeitungseinheit 910 für einen Lenkungsprozessor für autonome Fahrzeuge. Die Verarbeitungseinheit 910 aus 22 enthält eine Navigationsfunktion 912 und eine Lenkungsfunktion 914 und kann auch eine Autopilotfunktion 916 sowie mindestens einen Prozessor 918 zum Betrieb der Einheit enthalten. Die Lenkungs-Verarbeitungseinheit 910 steht mit verschiedenen anderen Komponenten, einschließlich Speicher mit wahlfreiem Zugriff 934 und Nur-Lese-Speicher 932, in Verbindung, die Navigationsinformationen sowie Fahrzeug-Steueralgorithmen speichern können. Um das Fahrzeug zu steuern, kann die Lenkungs-Verarbeitungseinheit 910 Eingangssignale von verschiedenen Quellen empfangen, einschließlich einem Trägheitsmesssystem 922 sowie einem Navigationsempfänger 920, der ein globaler Positionierungsempfänger (global positioning receiver) (GPS) oder ein anderer Empfängertyp zum Liefern von Navigationsinformationen sein kann. Die Lenkungs-Verarbeitungseinheit 910 kann auch mit einem Aufwärtsstrecken-Datenempfänger (uplink data receiver) 924 zum Empfangen von Steuerbefehlen und Datenkommunikation vom Boden oder anderen Fahrzeugen verbunden sein und kann ferner mit einer Bord-Sucheinrichtung, wie etwa einer Radarvorrichtung, einem nach vorne gerichteten Infrarotempfänger (forward-looking infrared receiver) (FLIR) oder einer anderen Art von zielauffindendem Sensor verbunden sein. Schließlich gibt die Lenkungs-Verarbeitungseinheit 910 Befehle zu einem Fahrzeuglagen-Steuersystem 928 und/oder einem aerodynamischen Manövriersystem 930 aus, um das Fahrzeug auf Basis der gegenwärtigen Fahrzeugposition und des gegenwärtigen Fahrzeug zustandes, des Vorhandenseins und des Ortes irgendwelcher Störungen und der zu erreichenden Navigationsziele zu steuern.
Automatischer Lenkungs-Steuerprozessor für ein Fahrzeug mit einem Piloten
23 ist ein Beispiel einer Konfiguration eines Fahrzeuglenkungs-Steuersystems, das das oben beschriebene räumliche Vermeidungsverfahren implementiert, wenn das Fahrzeug durch einen Piloten bedient wird, jedoch unter einer automatischen Lenkungssteuerung. 23 stellt das Verfahren der Erfindung dar, wie es in Systemen verwendet wird, die als Systeme vom Drahtbefehlssteuerungstyp (fly-by-wire systems) bekannt sind. In einem System vom Drahtbefehlssteuerungstyp werden die Vermeidungsbefehle automatisch an die Autopilot-Funktion 916 gerichtet, ohne einen Eingriff durch den Piloten/Benutzer 917 zu erfordern. Der Pilot/Benutzer 917 wird als eine Eingabe an das Lenkungssystem tätig und fliegt das Flugzeug nicht unmittelbar. Alle Anweisungen von dem Piloten werden durch eine Autopilot-Funktion geleitet, um die richtigen Steuerungsbefehle an das Fahrzeug zu liefern. In einigen Fällen kann der Pilot/Benutzer der Hauptlenkungsprozessor sein, wobei das räumliche Vermeidungsverfahren nur eingreift, wenn es notwendig ist. Die meisten modernen Flugzeuge arbeiten mit einem Drahtbefehlssteuerungssystem. Das Verfahren kann auch in der Weise implementiert werden, dass es einen Rückmeldungsmechanismus 919 enthält, der dem Piloten/Benutzer die durch das automatische System relativ zu der Piloten-/Benutzer-Eingabe vorgenommene Änderung anzeigt.
Durch einen Piloten gesteuerter Lenkungs-Steuerprozessor
24 ist ein Beispiel einer Konfiguration eines Fahrzeuglenkungs-Steuersystems, das das oben beschriebene räumliche Vermeidungsverfahren implementiert, wenn das Fahrzeug durch einen Piloten bedient wird und der Pilot 917 für die Eingabe der durch das Verfahren berechneten Lenkungs-Steuerbefehle verantwortlich ist, wie etwa in einem Flugleitersystem. In dem Beispiel der 24 hat der Pilot/Benutzer die Hauptsteuerung des Systems, und der Lenkungsprozessor, der das Verfahren der Erfindung implementiert, liefert lediglich eine Rückmeldung an den Piloten/Benutzer, wie Störungen zu vermeiden sind. Der Rückmeldungsmechanismus 919 kann durch eine analoge oder digitale Anzeigeeinrichtung verwirklicht sein, die sich auch an einer Instrumententafel befinden kann oder in einem Blickfelddarstellungsgerät (heads-up display) implementiert sein kann. Der Pilot/Benutzer trifft letztendlich den Entschluss, ob die Lenkungs-Steuerbefehle implementiert werden oder nicht.
Es ist für einen Fachmann ersichtlich, dass die für das oben beschriebene System gemäß der vorliegenden Erfindung beschriebenen Steuergesetze in Computersoftware implementiert und in einer Speichereinrichtung gespeichert werden können. Somit werden auch ein Computerprogramm, das Anweisungen gemäß dem beschriebenen Verfahren kodiert, sowie eine computerlesbare Speichereinrichtung, die Anweisungen speichert, die von einem Computer ausführbar sind, um die Schritte des beschriebenen Verfahrens auszuführen, als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung angesehen.

Claims

Verfahren zum Manövrieren eines Fahrzeuges (10) zu einem Ziel in Gegenwart von zumindest einer Störung (300), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Einrichten einer nominellen Lenkungsrichtung für das Fahrzeug (10), wobei die nominelle Lenkungsrichtung im wesentlichen eine Richtung zu dem Ziel ist, Einrichten einer nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung, und Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung, gekennzeichnet durch den folgenden Verfahrensschritt: Definieren einer geometrischen Abgrenzung (310) hinsichtlich der Störung (300), wobei die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung basierend auf der geometrischen Abgrenzung (310) und einer relativen Position des Fahrzeuges (10) hinsichtlich der geometrischen Abgrenzung (310) eingerichtet wird, und wobei die Fahrzeug-Steuerungsrichtung a) in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) an einer von der Störung (300) abgewandten Seite der geometrischen Abgrenzung (310) befindet, basierend auf der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung und der nominellen Lenkungsrichtung bestimmt wird, oder b) in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) an einer Seite der Störung von der geometrischen Abgrenzung (310) befindet, basierend auf der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung und auf einer Anti-Intercept-Richtung zwischen dem Fahrzeug (10) und der Störung (300) bestimmt wird, wobei eine Lösung für die Fahrzeug-Steuerungsrichtung über die geometrische Abgrenzung (310) stetig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung ein basierend auf der geometrischen Abgrenzung (310) bestimmter, geometriebasierender Vermeidungsvektor ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die geometrische Abgrenzung (310) um die Störung (300) herum definiert ist, und bei dem das Verfahren ferner den Verfahrensschritt des Bestimmens, ob sich das Fahrzeug (10) außerhalb der geometrischen Abgrenzung (310) oder innerhalb der geometrischen Abgrenzung (310) befindet, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Fahrzeug-Steuerungsrichtung in dem Fall basierend auf der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung und der nominellen Lenkungsrichtung bestimmt wird, wenn sich das Fahrzeug (10) außerhalb der geometrischen Abgrenzung (310) befindet.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Fahrzeug-Steuerungsrichtung in dem Fall basierend auf der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung und der Anti-Intercept-Richtung bestimmt wird, wenn sich das Fahrzeug (10) innerhalb der geometrischen Abgrenzung (310) befindet.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner den Verfahrensschritt des Bestimmens einer Entfernung zwischen dem Fahrzeug (10) und der Störung (300) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Verfahrensschritt des Bestimmens einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung ferner auf der Entfernung basiert.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Fahrzeug-Steuerungsrichtung ferner auf einem entfernungsbasierenden Feldelement basiert.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner den Verfahrensschritt des Bestimmens eines Einflussbereiches (309) der Störung (300) aufweist, und bei dem in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) außerhalb des Einflussbereiches (309) der Störung (300) befindet, die Fahrzeug-Steuerungsrichtung unbeachtet der Gegenwart der Störung (300) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, das ferner den Verfahrensschritt des Bestimmens eines Einflussbereiches (309) der Störung (300) aufweist, und bei dem die Fahrzeug-Steuerungsrichtung in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) innerhalb des Einflussbereiches (309) der Störung (300) befindet, basierend auf der Gegenwart der Störung (300) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fahrzeug-Steuerungsrichtung bestimmt wird, indem die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung und die nominelle Lenkungsrichtung oder die Anti-Intercept-Richtung basierend auf einem Mischungsverhältnis passend zusammengemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Mischungsverhältnis eine Funktion ist.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Mischungsverhältnis eine Funktion hinsichtlich einer Entfernung ist, die das Fahrzeug (10) und die Störung (300) separiert.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Fahrzeug-Steuerungsrichtung in Übereinstimmung mit einer Funktion der folgenden Gestalt bestimmt wird: DSTEUERUNG = F1 * DLENKUNG + F2 * DVERMEIDUNG,wobei: D_LENKUNG ein Vektor mit entweder einer Richtung in die nominelle Lenkungsrichtung oder einer Richtung in die Anti-Intercept-Richtung ist, D_VERMEIDUNG ein Vektor mit einer Richtung in die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung ist, D_STEUERUNG die Fahrzeug-Steuerungsrichtung ist, F1 eine erste stetige Funktion ist und F2 eine zweite stetige Funktion ist.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem F2 nahezu gleich 1–F1 ist.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner den Verfahrensschritt des Steuerns des Fahrzeuges (10) in Richtung der Fahrzeug-Steuerungsrichtung aufweist, und bei dem die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung auf einer relativen Position des Fahrzeuges (10) zu der Störung (300) basiert, und bei dem der Verfahrensschritt des Einrichtens einer nominellen Lenkungsrichtung in Richtung des Ziels, der Verfahrensschritt des Einrichtens einer nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung, der Verfahrensschritt des Bestimmens einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung und der Verfahrensschritt des Steuerns des Fahrzeuges (10) in Richtung der Fahrzeug-Steuerungsrichtung mehrfach wiederholt werden, wenn sich das Fahrzeug (10) fortbewegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem: sich das Fahrzeug (10) in Gegenwart einer Vielzahl von Störungen (300) zu dem Ziel bewegt, der Verfahrensschritt des Definierens einer geometrischen Abgrenzung (310) hinsichtlich der Störung (300) das Definieren einer geometrischen Abgrenzung (310) hinsichtlich jeder der Vielzahl der Störungen (300) enthält, der Verfahrensschritt des Einrichtens einer nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung das Einrichten einer nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung hinsichtlich jeder der Störungen (300) enthält und der Verfahrensschritt des Bestimmens einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung das Bestimmen der Fahrzeug-Steuerungsrichtung basierend auf jede der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtungen enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Verfahrensschritt des Bestimmens, ob sich das Fahrzeug (10) der Störung (300) annähert oder ob sich das Fahrzeug (10) von der Störung (300) wegbewegt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Verfahrensschritt des Bestimmens einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung das Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung basierend auf einem Ergebnis des Verfahrensschritts des Bestimmens, ob sich das Fahrzeug (10) der Störung (300) annähert oder ob sich das Fahrzeug (10) von der Störung (300) wegbewegt, enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Verfahrensschritt des Ausgebens eines Steuerungs-Steuersignals aufweist, das wirksam ist, um das Fahrzeug (10) in Übereinstimmung mit der Fahrzeug-Steuerungsrichtung zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Verfahrensschritt des Anzeigens eines Steuerungsbefehls in Übereinstimmung mit der Fahrzeug-Steuerungsrichtung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die geometrische Abgrenzung (310) weich ist.
Verfahren zum Manövrieren eines ersten Fahrzeuges (420B) im Verhältnis zu einem zweiten Fahrzeug (420A), wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Einrichten einer ersten abstoßenden bzw. zurücktreibenden Abgrenzung (510) um das zweite Fahrzeug (420A) herum, Einrichten einer ersten anziehenden Abgrenzung (520) um die erste abstoßende Abgrenzung (510) herum, wobei die erste abstoßende Abgrenzung (510) und die erste anziehende Abgrenzung (520) einen interaktiven Bereich (525) zwischen ihnen definieren; Berechnen einer Steuerungsrichtung für das erste Fahrzeug (420B), und zwar derart, dass das erste Fahrzeug (420B) zu dem zweiten Fahrzeug (420A) hingerichtet wird, wenn sich das erste Fahrzeug (420B) außerhalb der ersten anziehenden Abgrenzung (520) befindet, das erste Fahrzeug (420B) von dem zweiten Fahrzeug (420A) weggerichtet wird, wenn sich das erste Fahrzeug (420B) innerhalb der ersten abstoßenden Abgrenzung (510) befindet, und das erste Fahrzeug (420B) basierend auf einer gewichteten Funktion entweder zu dem zweiten Fahrzeug (420A) hingerichtet oder von dem zweiten Fahrzeug (420A) weggerichtet wird, wenn sich das erste Fahrzeug (420B) innerhalb des interaktiven Bereiches (525) befindet.
Gerät zum Manövrieren eines Fahrzeuges (10) zu einem Ziel in Gegenwart von zumindest einer Störung (300), wobei das Gerät folgendes aufweist: eine Vorrichtung zum Bestimmen einer nominellen Lenkungsrichtung für das Fahrzeug (10), wobei die nominelle Lenkungsrichtung eine im wesentlichen zu dem Ziel gerichtete Richtung ist, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung, und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung, gekennzeichnet durch: eine Vorrichtung zum Definieren einer geometrischen Abgrenzung (310) hinsichtlich der Störung (300), wobei die Vorrichtung zum Bestimmen der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung basierend auf der geometrischen Abgrenzung (310) und einer relativen Position des Fahrzeu ges (10) hinsichtlich der geometrischen Abgrenzung (310) die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung bestimmt, und wobei die Vorrichtung zum Bestimmen der Fahrzeug-Steuerungsrichtung basierend auf der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung und a) basierend auf der nominellen Lenkungsrichtung die Fahrzeug-Steuerungsrichtung bestimmt, und zwar in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) an einer von der Störung (300) abgewandten Seite der geometrischen Abgrenzung (310) befindet, oder b) basierend auf einer Anti-Intercept-Richtung zwischen dem Fahrzeug (10) und der Störung (300) die Fahrzeug-Steuerungsrichtung bestimmt, und zwar in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) an einer Störungsseite der geometrischen Abgrenzung (310) befindet, wobei eine Lösung für die Fahrzeug-Steuerungsrichtung über die geometrische Abgrenzung (310) stetig ist.
Gerät nach Anspruch 24, bei dem die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung ein basierend auf der geometrischen Abgrenzung (310) bestimmter, geometriebasierender Vermeidungsvektor ist.
Gerät nach Anspruch 24, bei dem die Vorrichtung zum Definieren einer geometrischen Abgrenzung (310) die geometrische Abgrenzung (310) definiert, welche die Störung (300) umgibt, und bei dem das Gerät ferner folgendes aufweist: eine Vorrichtung zum Bestimmen, ob sich das Fahrzeug (10) außerhalb der geometrischen Abgrenzung (310) oder innerhalb der geometrischen Abgrenzung (310) befindet.
Gerät nach Anspruch 26, bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen der Fahrzeug-Steuerungsrichtung in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) außerhalb der geometrischen Abgrenzung (310) befindet, die Fahrzeug-Steuerungsrichtung basierend auf der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung und der nominellen Lenkungsrichtung bestimmt.
Gerät nach Anspruch 26, bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen der Fahrzeug-Steuerungsrichtung in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) innerhalb der geometrischen Abgrenzung (310) befindet, die Fahrzeug-Steuerungsrichtung basierend auf der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung und der Anti-Intercept-Richtung bestimmt.
Gerät nach Anspruch 24, das ferner folgendes aufweist: eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Entfernung zwischen dem Fahrzeug (10) und der zumindest einen Störung (300).
Gerät nach Anspruch 29, bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung ferner die Fahrzeug-Steuerungsrichtung basierend auf der Entfernung bestimmt.
Gerät nach Anspruch 24, bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung ferner basierend auf einem entfernungsbasierenden Feldelement die Fahrzeug-Steuerungsrichtung bestimmt.
Gerät nach Anspruch 30, das ferner folgendes aufweist: eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Einflussbereiches (309) der Störung (300), und bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung ferner in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) außerhalb des Einflussbereiches (309) der Störung befindet, die Fahrzeug-Steuerungsrichtung unbeachtet der Gegenwart der Störung (300) bestimmt.
Gerät nach Anspruch 30, das ferner folgendes aufweist: eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Einflussbereiches (309) der Störung (300), und bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung ferner in dem Fall, wenn sich das Fahrzeug (10) innerhalb des Einflussbereiches (309) der Störung (300) befindet, die Fahrzeug-Steuerungsrichtung basierend auf der Gegenwart der Störung (300) bestimmt.
Gerät nach Anspruch 24, bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung die Steuerungsrichtung bestimmt, indem die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung und die nominelle Lenkungsrichtung oder die Anti-Intercept-Richtung basierend auf einem Mischungsverhältnis passend zusammengemischt werden.
Gerät nach Anspruch 34, bei dem das Mischungsverhältnis eine Funktion ist.
Gerät nach Anspruch 35, bei dem das Mischungsverhältnis eine Funktion einer Entfernung ist, die das Fahrzeug (10) und die Störung (300) separiert.
Gerät nach Anspruch 34, bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung die Fahrzeug- Steuerungsrichtung in Übereinstimmung mit einer Funktion der folgenden Gestalt bestimmt: DSTEUERUNG = F1 * DLENKUNG + F2 * DVERMEIDUNG,wobei: D_LENKUNG ein Vektor mit einer Richtung in entweder die nominelle Lenkungsrichtung oder die Anti-Intercept-Richtung ist, D_VERMEIDUNG ein Vektor mit einer Richtung in die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung ist, D_STEUERUNG die Fahrzeug-Steuerungsrichtung ist, F1 eine erste stetige Funktion ist und F2 eine zweite stetige Funktion ist.
Gerät nach Anspruch 37, bei dem F2 nahezu gleich 1–F1 ist.
Gerät nach Anspruch 37, das ferner folgendes aufweist: eine Vorrichtung zum Steuern des Fahrzeuges (10) in Richtung der Fahrzeug-Steuerungsrichtung, und bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer nominellen Lenkungsrichtung für das Fahrzeug (10) basierend auf einer relativen Position des Fahrzeuges (10) zu der Störung (300) die nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung bestimmt, und bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer nominellen Lenkungsrichtung für das Fahrzeug (10) die Vorrichtung zum Bestimmen einer nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung und die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung jeweils kontinuierlich ihre entsprechende Richtung aktualisieren, wenn sich das Fahrzeug (10) fortbewegt.
Gerät nach Anspruch 24, bei dem: sich das Fahrzeug (10) in Richtung des Zieles in Gegenwart einer Vielzahl von Störungen (300) fortbewegt, bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer nominellen Störungs-Vermeidungsrichtung eine nominelle Störungs-Vermeidungsrichtung für jede der Störungen (300) bestimmt und bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung die Fahrzeug-Steuerungsrichtung basierend auf jeder der nominellen Störungs-Vermeidungsrichtungen bestimmt.
Gerät nach Anspruch 24, das ferner folgendes aufweist: eine Vorrichtung zum Bestimmen, ob sich das Fahrzeug (10) der Störung (300) annähert oder ob sich das Fahrzeug (10) von der Störung (300) wegbewegt.
Gerät nach Anspruch 41, bei dem die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fahrzeug-Steuerungsrichtung eine Fahrzeug-Steuerungsrichtung basierend auf einer Ausgabe von der Vorrichtung zum Bestimmen, ob sich das Fahrzeug (10) der Störung (300) annähert oder ob sich das Fahrzeug (10) von der Störung (300) wegbewegt, bestimmt.
Gerät nach Anspruch 24, das ferner folgendes aufweist: eine Vorrichtung zum Ausgeben eines Steuerungs-Steuersignals, um das Fahrzeug (10) in Übereinstimmung mit der Fahrzeug-Steuerungsrichtung zu steuern.
Gerät nach Anspruch 24, das ferner folgendes aufweist: eine Vorrichtung zum Anzeigen eines Steuerungsbefehls in Übereinstimmung mit der Fahrzeug-Steuerungsrichtung.
Gerät nach einem der Ansprüche 24 bis 44, bei dem die geometrische Abgrenzung (310) weich ist.
Computerprogramm, das eine Programmcodeeinrichtung zum Durchführen sämtlicher der Verfahrensschritte von einem der Ansprüche 1 bis 23 aufweist, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.