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Dokumentenidentifikation DE69501209T2 02.04.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0748470
Titel SYSTEM ZUR REGELUNG VON FERNGESTEUERTEN FAHRZEUGEN MIT VARIABLEN BEZUGSRAHMEN
Anmelder United Technologies Corp., Stratford, Conn., US
Erfinder THORNBERG, Christopher, Allen, Newtown, CT 06470, US;
COTTON, Bryan, Saxon, Monroe, CT 06468, US
Vertreter Klunker und Kollegen, 80797 München
DE-Aktenzeichen 69501209
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 22.02.1995
EP-Aktenzeichen 959117375
WO-Anmeldetag 22.02.1995
PCT-Aktenzeichen US9501881
WO-Veröffentlichungsnummer 9524004
WO-Veröffentlichungsdatum 08.09.1995
EP-Offenlegungsdatum 18.12.1996
EP date of grant 10.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.04.1998
IPC-Hauptklasse G05D 1/00

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung von fernbedienten Fahrzeugen, insbesondere eine variable Referenz für die Steuerung eines fernbedienten Fahrzeugs.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es gibt eine Vielfalt von Verwendungszwecken für fernbediente Fahrzeuge, darunter Anwendungen auf militärischem, industriellem und dem Unterhaltungs-/Erholungs-Gebiet. Für Unterhaltungs-/Erholungs- Anwendungen sind fernbediente Modellflugzeuge, -Hubschrauber, -Automobile, -Schiffe und -Segelboote bekannt. Auf dem industriellen Gebiet ist bekannt, ein fernbedientes Fahrzeug dazu zu benutzen, hochriskante oder schwierige Aufgaben wahrzunehmen, beispielsweise die Inspektion, die Wartung und die Reparatur in einem stark verstrahlten Gebiet, die Erkundung von extremen Wassertiefen sowie die Luftaufidärung.

Auf dem militärischen Gebiet gab es kürzlich ein Wiedererwachen des Interesses an unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs; unmanned aerial vehicles) zur Durchführung einer Vielfalt von Aufträgen, bei denen der Einsatz von bemannten Flugzeugen aus irgendeinem Grund nicht angezeigt erscheint. Derartige Aufträge beinhalten die Überwachung, die Autklärung, die Zielerfassung und/oder Zielbestimmung, die Datenerfassung, die Nachrichtendaten-Verbindung, Scheinanlagen, das Behindern, das Stören oder Einweg-Versorgungsflüge. In ähnlicher Weise war es lange Zeit üblich, Torpedos für den Unterwasserangriff mit Waffen fernzusteuern.

Ein offensichtlicher Unterschied zwischen einem bemannten und einem fernbedienten Fahrzeug betrifft die Steuerung oder die Führung des Fahrzeugs. In einem bemannten Fahrzeug sitzt der Bediener in dem Fahrzeug und gibt Steuersignale bezüglich des gewünschten Ansprechverhaltens des Fahrzeugs ein. In einem solchen Fall basieren sämtliche Anforderungen seitens des Fahrzeugbedieners auf einem Fahrzeug-Referenzrahmen. In einem Flugzeug beispielsweise werden Steueranforderungen typischerweise von einem Piloten über einen Steuerknüppel eingegeben. Wünscht der Pilot, das Flugzeug nach vorn zu bewegen, gibt er in den Steuerknüppel eine Vorwärtsbewegung ein, die das Flugzeug in Vorwärtsrichtung nicken läßt. Wenn der Pilot das Flugzeug nach rechts zu ziehen wünscht, gibt er in ähnlicher Weise eine rechtsseitige Knüppelbewegung ein, die ihrerseits das Flugzeug auf die rechte Seite rollt.

Ein beim Bedienen von fernbedienten Fahrzeugen auftretendes Problem besteht darin, daß, wenn der Fahrzeugbediener das Fahrzeug von einer entfernten Stelle aus steuert, Befehle, die auf den Körper des Bedieners oder einen Bediener-Referenzrahmen bezogen sind, zu einer nicht erwünschten Fahrzeugbewegung führen könnte. Typischerweise wird die Bewegung des fernbedienten Fahrzeugs durch die Richtung beherrscht, in der ein fixer Referenzpunkt oder eine fixe Referenzachse des Fahrzeugs weist, beispielsweise die Richtung, in die der Bug oder die Front des Fahrzeugs weist. Bezugnehmend auf das Beispiel gemäß Fig. 1 bedeutet dies: wenn der Fahrzeugbediener 10 und das Fahrzeug 12 die gleiche Vorwärtsorientierung oder das gleiche Referenzraster aufweisen, dann führen Steuereingaben seitens des Fahrzeugbedieners 10 zu einer entsprechenden Änderung der Fahrzeugbewegung; wenn beispielsweise der Fahrzeugbediener eine Rechtsbewegung des Fahrzeugs vorgibt, bewegt sich bzw. schwenkt das Fahrzeug 12 nach rechts. Wenn allerdings gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel sich das Fahrzeug in Richtung auf den Fahrzeugbediener 12 zubewegt, dann führt eine Steuereingabe seitens des Fahrzeugbedieners zu einer entgegengesetzten Bewegung des Fahrzeugs; wenn z.B. der Fahrzeugbediener eine Rechtsbewegung des Fahrzeugs anweist, bewegt sich bzw. schwenkt das Fahrzeug in bezug auf den Fahrzeugbediener tatsächlich nach links.

Aus der EP-A-0 522 829 ist es bekannt, ein System zum Steuern und Überwachen der Stellung eines fernbedienten Fahrzeugs zu verwenden. Das offenbarte System beinhaltet das Feststellen der Stellung des Fahrzeugs unter Verwendung eines globalen Positioniersystems (GPS) oder eines Positionsermittlungs-Funksendesystems. Aus dem US-Patent 4 405 943 ist es außerdem bekannt, den Betrieb einer an einem fernbedienten Fahrzeug gelagerten Kamera von einer Datenverbindung zu entkoppeln, welche die von der Kamera erzeugten Daten überträgt, um an die Steuerung des fernbedienten Fahrzeugs eine hochauflösende Bildinformation zu liefern. Allerdings behandelt keine dieser Druckschriften das Problem der nicht-intuitiven Steuerung gewisser Steuersysteme für fernbediente Fahrzeuge.

Aus diesem Grund beruhen vorhandene Verfahren zum Steuern von fernbedienten Fahrzeugen in hohem Maße auf der Ausbildung des Bedieners. Mit einem beträchtlichen Übungsaufwand kann ein Bediener lernen, ein fernbedientes Fahrzeug nutzbringend in den meisten Raumlagebeziehungen des Fahrzeugs in bezug auf den Bediener zu steuern. Bei hoher Arbeitsbelastung und in Streßsituationen kann allerdings die nicht-intuitive Steuerung eines fernbedienten Fahrzeugs zu einer unbeabsichtigten und nicht erwünschten Bewegung des fernbedienten Fahrzeugs führen.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Ziele der Erfindung beinhalten die Schaffung eines verbesserten Steuersystems zum Steuern eines fernbedienten Fahrzeugs, welches einen variablen Referenzrahmen zum Steuern des fernbedienten Fahrzeugs bildet.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Steuersystems für ein fernbedientes Fahrzeug, welches es einem Fahrzeugbediener ermöglicht, eine Fahrzeug-Referenzachse mit dem Zweck auszuwählen, das Steuer-Ansprechverhalten des Fahrzeugs zu bestimmen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Fahrzeugsteuersystems für ein fernbedientes Fahrzeug, welches es dem Fahrzeugbediener ermöglicht, auszuwählen zwischen einem Fahrzeug- Referenzrahmen, einem erdbezogenen Referenzrahmen und einem varianen Referenzrahmen, um den Betrieb eines fernbedienten Fahrzeugs zu steuern.

Erfindungsgemäß wird ein Referenzrahmen ausgewählt, und von einem Fahrzeugbediener gelieferte Steuereingaben werden transformiert, um der Orientierung eines ferubedienten Fahrzeugs in bezug auf den ausgewählten Referenzrahmen in der Weise Rechnung zu tragen, daß das fernbediente Fahrzeug auf die Steuereingaben bezüglich des ausgewählten Referenzrahmens anspricht.

Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein erdbezogener Referenzrahmen basierend auf einem festliegenden Kurs, beispielsweise Norden, oder basierend auf der Anfangsorientierung des Fahrzeugbedieners ausgewählt werden. Alternativ kann ein Fahrzeug- Referenzrahmen ausgewählt werden, der für einen fixen Referenzrahmen bezüglich des Fahrzeugs und einen variablen Referenzrahmen in bezug auf den Fahrzeugbediener sorgt. Ein Fahrzeugbediener-Referenzrahmen kann ebenfalls basierend auf der Orientierung des Fahrzeugbedieners in bezug auf den Erdboden ausgewählt werden, und Steuerbefehle werden basierend auf Änderungen sowohl der Bedienerorientierung bezüglich der Erdboden-Referenz als auch der Orientierung des fernbedienten Fahrzeugs bezüglich der Erdboden-Referenz transformiert, was zu einem fixen Referenzrahmen in bezug auf den Fahrzeugbediener und einem variablen Referenzrahmen in bezug auf das Fahrzeug fährt.

Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Kurstransformation des fernbedienten Fahrzeugs basieren auf einem ausgewählten vorderen, fixen oder variablen Punkt an dem Fahrzeug, bezogen auf einen Fahrzeugschwerpunkt, einem vorderen Teil des Fahrzeugs, die Stelle eines Sensors an dem Fahrzeug oder irgendeine andere Referenzstelle an dem Fahrzeug.

Die vorliegende Erfindung schafft eine vereinfachte Steuerung für ein fernbedientes Fahrzeug dadurch, daß sie dem Fahrzeugbediener ermöglicht, einen Referenzrahmen für Steuersignale basierend auf einer Fahrzeugbediener-Referenz oder einer fixen Erdbodenreferenz auszuwählen, im Gegensatz zu einer Fahrzeugreferenz. Eine fixe Erdbodenreferenz ist dann besonders nützlich, wenn die Steuerung der Fahrzeugbewegung basierend auf der angezeigten Position des Fahrzeugs auf einer elektronischen Karte erfolgt, wobei die Karte ein fixes Erdboden-Referenzraster aufweist. Deshalb ermöglicht die Erfindung einem nicht geschulten oder relativ unerfahrenen Bediener, ein fernbedientes Fahrzeug ohne die damit verbundene Desorientierung zu bedienen, die dann eintritt, wenn die Fahrzeugbewegungen nicht-intuitiv werden, wie es im Stand der Technik der Fall ist. Dadurch, daß die Kurstransformation für das fernbediente Fahrzeug auf der Lage eines Sensors an dem Fahrzeug beruhen darf, kann das Fahrzeug außerdem so gesteuert werden, daß Schwankungen in den Steuereingaben die Zielrichtung des Sensors steuert.

Die oben genannten sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindjung ergeben sich deutlicher durch die folgende detaillierte Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines fernbedienten Fahrzeugs und eines Bediener-Steuerfeldes, welches das Ansprechverhalten des Fahrzeugs auf Steuereingaben zeigt, wenn Fahrzeug und Steuerfeld das gleiche Referenzraster teilen;

Fig. 2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines fernbedienten Fahrzeugs und eines Bediener-Steuerfeldes, welches das Ansprechverhalten des Fahrzeugs auf Steuereingaben zeigt, wenn Fahrzeug und Steuerfeld entgegengesetzte Referenzraster aufweisen;

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht mit teilweise weggebrochenen Teilen eines fernbedienten Fahrzeugs mit einem Steuersystem mit variabler Referenz gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm mit teilweise weggebrochenen Teilen eines Bediener-Steuerfeldes, welches für das in Fig. 3 gezeigte fernbediente Fahrzeug verwendet wird;

Fig. 5 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches die Übertragung von Steuersignalen von dem Bediener-Steuerfeld nach Fig. 4 zu dem fernbedienten Fahrzeug nach Fig. 3 darstellt; und

Fig. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches die Befehlstransformation veranschaulicht, die von einem Flugsteuerrechner des in Fig. 3 gezeigten fernbedienten Fahrzeugs verwendet wird.

BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Das Steuersystem mit variabler Referenz für ein fernbedientes Fahrzeug gemäß der Erfindung eignet sich besonders gut, um die optimale Steuerung eines fernbedienten Fahrzeugs basierend sowohl auf bedienerseitigen als auch auftragsseitigen Erwägungen zu ermöglichen. Das System sorgt für die Referenz-Beziehung von Fahrzeugbefehlen basierend auf einem Bediener-Referenzrahmen, so daß Steuerbefehle, die von dem Bediener gegeben werden, intuitiv bleiben und unabhängig sind von der Orientierung des Fahrzeugs in bezug auf den Bediener.

Darüberhinaus sorgt das System für die Referenzbeziehung der Fahrzeugposition basierend auf einem Fahrzeugsensor, um dadurch dem Bediener zu ermöglichen, die Zielrichtung eines Sensors an dem Fahrzeug in einfacher Weise zu steuern, um die Genauigkeit beim Empfang von Nachrichtenmaterial zu steigern. Ein weiterer Vorteil der Schaffung einer fixen Referenz für ein fernbedientes Fahrzeug ist die Einfachheit der Steuerung des Fahrzeugs, wenn die Position des Fahrzeugs auf einer elektronischen Karte angezeigt wird, die ein fixes Referenzraster besitzt.

Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit einem unbemannten Luftfahrzeug (UAV) verwendet. Es versteht sich allerdings für den Fachmann, daß das Steuersystem mit variabler Referenz gemäß der Erfindung auf jedes fernbediente Fahrzeug angewendet werden kann, vorausgesetzt, das Fahrzeug enthält ein Navigationssystem oder andere Mittel zum Bestimmen von Änderungen der Fahrzeugorientierung bezüglich eines auf den Bediener bezogenen oder eines fixen Referenzrasters.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines UAV 100 dargestellt. Das UAV, welches in dem erfindungsgemäßen Beispiel verwendet wird, enthält einen torusförmigen Schiffsrumpf oder eine torusförmige Verkleidung 20 mit aerodynamischem Profil, eine Flug/Auftrags- Ausrüstung 30, ein Triebwerks-Subsystem 70 und eine Rotoranordnung 60. Der torusförmige Rumpf 20 ist mit einer Mehrzahl von Streben 24 ausgestattet, die an der Rotoranordnung 60 angebracht sind und dazu dienen, die Rotoranordnung 60 in einer festen koaxialen Lagebeziehung zu dem torosförmigen Rumpf 20 zu halten. Der torusförmige Rumpf 20 enthält vorn befindliche Innenzellen 26, die typischerweise für diverse Flug-/Auftrags-Ausrüstungen 30 benutzt werden, die unten erläutert werden. Die Nutzlast-Ausrüstung 32 für die Mission befindet sich vorzugsweise, jedoch nicht unbedingt an der inneren Zelle 26. Im allgemeinen besteht die Auftragsnutzlast-Ausrüstung 32 aus einigen Typen passiver Sensoren, beispielsweise Infrarotdetektoren, Fernsehkameras etc., und/oder aktiven Bauelementen, z.B. Lasern, Funk-Nachrichtenverbindungsmittel, Radar etc. sowie der dazugehörigen Verarbeitungseinrichtung. Weitere Flug-/Auftrags-Ausrüstung 30, beispielsweise Luftfahrtelektronik 34, Navigationseinrichtung 36, Flugrechner 38, Nachrichtenübermittlungsgerät 40 (zum Übermitteln von Echtzeit-Sensordaten und zum Empfangen von Echtzeit- Befehlseingabesignalen), Antennen etc., sind in den verschiedenen internen Zellen 26 verteilt, wie z.B. in Fig. 1 dargestellt ist. Die Verteilung der unterschiedlichen Flug-/Auftrags-Ausrüstung 30 ist in Verbindung mit der Anordnung des Triebwerks-Subsystems 50 innerhalb des torusförmigen Rumpfs 20 optimiert.

Die Flug-/Auftrags-Ausrüstung 30, die bis hierhin erläutert wurde, ist ein Beispiel für die Art und Weise, wie man ein UAV verwenden kann. Wie der Fachmann allerdings versteht, sind ein separater Flugsteuerrechner, Luftfahrtelektronik und ein Navigationssystem nicht notwendigerweise erforderlich, um die durch die vorliegende Erfindung betroffenen Funktionen auszuführen. Alternativ kann ein einziger Flugsteuerrechner oder Missions-Rechner vorgesehen sein, um die oben angesprochenen Funktionen zu übernehmen.

In Fig. 4 ist ein Steuerfeld 200 für die Fernbediensteuerung des UAV 100 (Fig. 1) dargestellt. Das Steuerfeld 200 besitzt einen Joystick oder Steuerknüppel 205 zur Bereitstellung von Steuereingaben zum Steuern des Betriebs des UAV. Der Steuerknüppel 205 ist gemäß Darstellung ein zweiachsiger Steuerknüppel, bei dem eine Vorwärts- und eine Rückwärtsbewegung des Steuerknüppels sich auf das Nicken und eine seitliche Bewegung des Steuerknüppels sich auf das Rollen bezieht. Ein Steuerfeldrechner 209 dient zum Empfangen der von dem Steuerknüppel 205 gelieferten Steuerbefehle und zu deren Umwandlung in Signale, die über die Nachrichtenverbindungseinrichtung 212 übertragen werden. Die Nachrichtenübertragungseinrichtung 212 enthält einen Sender 215 zum Empfangen der Steuerbefehle von dem Steuerfeldrechner 209 und zum Senden der Steuerbefehle über eine Steuerfeldantenne 220.

Bezugnehmend auf Fig. 5 werden, wenn Steuersignale von dem Steuerfeld über die Antenne 220 gesendet werden, die Signale von der UAV-Antenne 42 empfangen und anschließend der UAV- Kommunikationseinrichtung 40 zugeleitet. Die Kommunikationseinrichtung enthält einen Empfänger 46 und einen Demodulator-Decoder 48 zum Empfangen und zum Decodieren der empfangenen Signale, die von dem Steuerfeld gesendet wurden. Anschließend werden die demodulierten und decodierten Steuersignale an den Flugsteuerrechner 38 und die Luftfahrtelektronik 34 gegeben. Der Flugsteuerrechner 38 und die Luftfahrtelektronik 34 verarbeiten die ankommenden Steuersignale, um dadurch die geeigneten Leitflächenbefehle an die UAV-Leitflächen zu geben, um die gewünschten Manöver auszuführen.

All das, was bisher über die Vorrichtung gesagt wurde, ist ein Beispiel für das, was aus dem Stand der Technik bekannt ist. In einem Steuersystem mit Fahrzeugreferenz aus dem Stand der Technik wird ein fester Referenzpunkt oder eine feste Referenzstelle an dem Fahrzeugrahmen als Vorderteil oder Kopf des Fahrzeugs ausgewählt, und ansprechend auf die Steuersignale wird jener Referenzpunkt manövriert. Wenn z.B. der Bediener über das Steuerfeld eine Rechtskurve oder einen Rollbefehl eingibt, wird das UAV den fixen Referenzpunkt nach rechts drehen, relativ zu dem UAV Referenzrahmen. Abhängig von der Orientierung des UAV in bezug auf den Bediener jedoch sieht ein von dem Bediener an die UAV-Steuerung gegebener Rechtskurvenbefehl für den Bediener so aus wie eine Linkskurve, falls das UAV auf den Bediener zusteuert, oder falls das UAV sich "hinter" dem Bediener befindet.

Das Steuersystem mit variabler Referenz gemäß der Erfindung ermöglicht es dem Bediener, verschiedene unterschiedliche Referenzrahmen zur Steuerung des UAV auszuwählen, wodurch es dem Bediener möglich ist, die UAV-Steuerung auf die spezielle Mission oder die Betriebserfordernisse abzustimmen und dadurch eine vereinfachte intuitive Steuerung zur Verfügung zu haben.

Bezugnehmend auf Fig. 6 ist der Flugsteuerrechner mit einer Knüppel- Transformationsfunktion 400 ausgestattet, die es dem Bediener ermöglicht, auszuwählen zwischen einer Reihe von Steuerreferenzen zum Steuern des fernbedienten Fahrzeugs. Eine spezifischere Referenz kann dadurch ausgewählt werden, daß ein Schalter umgelegt oder ein Befehl auf dem Steuerfeld 100 eingegeben wird (Fig. 2). Anschließend wird der Referenzbefehl über die Kommunikationseinrichtung und die Steuerfeldantenne und über die Kommunikationseinrichtung im fernbedienten Fahrzeug an den Flugsteuerrechner gegeben.

Die Knüppel-Transformationsfunktion 400 spricht an auf Steuersignale, die von dem Steuerfeld empfangen wurden, außerdem auf Fahrzeugkursinformation, um das Fahrzeug nach Maßgabe der gewünschten Betriebsart und Referenz zu steuern. Der Nickbefehl (der von dem Steuerfeld über die Fahrzeug-Kommunikationseinrichtung kommt) wird über eine Leitung 405 an eine Nickachsen Transformationsfunktion 410 und an eine Rollachsen- Transformationsfunktion 412 gegeben. In ähnlicher Weise wird der Rollbefehl über eine Leitung 415 an die Nickachsen- Transformationsfunktion 410 und die Rollachsen- Transformationsfunktion 412 gegeben. Der andere Eingang der Nickachsen-Transformationsfunktion 410 und der Rollachsen- Transformationsfunktion 412 ist ein Transformationswinkel (Θ). Der Transformationswinkel wird anhand des wahren Kurses des Fahrzeugs festgelegt, wie er von dem Navigationssystem 36 bestimmt wird, außerdem anhand der gewünschten Fahrzeugreferenz und des Fahrzeugreferenzmodus.

Der wahre Kurs des Fahrzeugs wird von dem an dem Fahrzeug befindlichen Navigationssystem 36 geliefert, beispielsweise einem Ringlaser-Kreisel oder einem Trägheits-Navigationssystem. Das wahre Kurssignal kennzeichnet die Orientierung eines fixen Punkts an dem Flugzeug bezüglich der tatsächlichen Nordrichtung. Typischerweise wird der Referenzpunkt an dem Fahrzeug so festgelegt, daß er sich an dem vorderen Abschnitt am Fahrzeug findet, wie es durch die Ausgestaltung festgelegt wird, oder es wird von einem anderen Verfahren Gebrauch gemacht, beispielsweise der Berechnung des Schwerpunkts. Der Schwerpunkt dient für die torische Form, weil hierdurch das Vorwärtsflugverhalten des Fahrzeugs verbessert wird. Das wahre Kurssignal, welches von dem Navigationssystem 36 geliefert wird, wird über eine Leitung 420 zu einem Summierknoten 425 geliefert. Der andere Eingang des Summierknotens 425 ist ein Referenz-Kurssignal auf einer Leitung 460, das als Ausgangsgröße eines Summierknotens 450 gebildet wird.

Ein Eingang des Summierknotens 450 ist ein Fahrzeugreferenzsignal auf einer Leitung 435, geliefert von einem Fahrzeugreferenz-Schalter 445. Der Betrieb des Fahrzeugreferenz-Schalters 445 hängt ab von der Stellung eines Steuerfeld-Fahrzeugreferenz-Schalters 245 auf dem Steuerfeld 200 (Fig. 4). Wenn der Steuerfeld-Fahrzeugreferenz-Schalter 245 sich in der vorderen Stellung befindet, dann ist die Fahrzeugreferenz zum Zweck der Fahrzeugsteuerung die Vorwärts- Referenzposition an dem Flugzeug. Wenn allerdings der Steuerfeld- Fahrzeugreferenz-Schalter 245 sich in der Sensorreferenz-Stellung befindet, dann basiert die Steuerung des Fahrzeugs auf der Sensorposition des Fahrzeugs. Deshalb gleicht das Signal auf der Leitung 435 der Winkelposition zwischen der Vorwärtsposition des Fahrzeugs und der Sensorposition des Fahrzeugs. Die Winkelposition zwischen der Vorwärtsposition an dem Fahrzeug und der Sensorposition an dem Fahrzeug wird als Versatzwinkel (Θ) definiert. Der andere Eingang des Summierknotens 450 ist ein Referenzmodussignal auf einer Leitung 453, welches von einem Referenzmodus-Schalter 457 bereitgestellt wird. Die Arbeitsweise des Referenzmodus-Schalters 457 hängt ab von der Position eines Steuerfeld-Referenzmodus-Schalters 257 auf dem Steuerfeld 200 (Fig. 4). In einem Fahrzeugreferenz-Modus wird die Fahrzeug-Referenzachse zum Zweck der Steuerung des Fahrzeugs über das Steuerfeld benutzt. In einem Kartenreferenz-Modus wird eine Erdboden-Referenz, beispielsweise Norden, zum Steuern des Fahrzeugs verwendet. In einem Bedienerreferenz-Modus dient die Orientierung des Bedieners nach Aktivierung des Bedienermodus als Referenzachse. Das Ausgangssignal des Summierknotens 450 ist das Referenzkurssignal auf der Leitung 460, welches dem Summierknoten 425 zugeleitet wird. Das Ausgangssignal des Summierknotens 425 ist der Transformationswinkel, und er wird über eine Leitung 467 an die Nickachsen-Transformation 410 und die Rollachsen-Transformation 412 gegeben. Die Nickachsen-Transformation 410 verwendet die Gleichung 1 zur Bestimmung des transformierten Nick-Knüppelsignals (TPSS), das über die Leitung 470 an das Nick-Suchsteuersystem gegeben wird:

TPSS = Nickbefehl*cos(Θ) Rollbefehl*sin(Θ) (Gl. 1)

In ähnlicher Weise liefert die Rollachsen-Transformation 412 unter Verwendung der unten angegebenen Gleichung 2 ein transformiertes Roll-Knüppelsignal (TRSS) über eine Leitung 475 an das Roll Flugsteuersystem:

TRSS = Rollbefehl*cos(Θ) + Nickbefehl*sin(Θ) (Gl. 2)

Die Arbeitsweise gemäß der Erfindung wird am besten anhand eines Beispiels verstanden. Wenn das Fahrzeug im normalen Modus betrieben wird, in welchem die Fahrzeugreferenz die Vorwärts-Fahrzeugachse ist, und wenn es im Fahrzeugreferenz-Modus betrieben wird, dann sollte die Transformationsfunktion keinerlei Änderung an dem Nickbefehl 405 und dem Rollbefehl 415 vornehmen, die über die Leitungen 470 und 475 gesendet werden, d.h. TPSS = Nickbefehl und TRSS = Rollbefehl. Das Fahrzeugkurssignal wird über die Leitung 420 an den Summierknoten 425 gegeben. Das Vorwärtsreferenzsignal, welches den Wertt Null hat, wird über die Leitung 435 an den Summierknoten 450 gegeben.

Zusätzlich wird im Fahrzeugreferenz-Modus der Fahrzeugkurs über den Schalter 457 auf der Leitung 453 an den Summierknoten 450 gegeben. Das Ausgangssignal des Summierknotens 450 ist der Fahrzeugkurs auf der Leitung 460, der von dem Fahrzeugkurssignal auf der Leitung 420 in dem Summierknoten 425 subtrahiert wird. Deshalb ist das Ausgangssignal des Summierknotens 425 auf der Leitung 467 Null, und bezugnehmend auf die Gleichung 1 und 2 ist TPSS auf der Leitung 470 gleich dem Nickbefehl auf der Leitung 405, und TRSS auf der Leitung 475 ist gleich dem Rollbefehl auf der Leitung 415, wenn der Transformationswinkel den Wert Null hat.

Wenn das Fahrzeug mit einer Sensorreferenz im Fahrzeugreferenz- Modus arbeitet, verursachen die Steuereingaben durch den Bediener, daß die Position des Fahrzeugsensors sich in bezug auf einen Fahrzeug- Referenzrahmen ändert. In Fig. 6 befindet sich der Schalter 445 in der Sensorreferenz-Stellung, und ein Signal, welches kennzeichnend ist flir die Winkelposition des Sensors in bezug auf die Vorwärts-Referenzachse des Fahrzeugs, wird über die Leitung 435 an den Summierknoten 450 gegeben, dessen anderer Eingang von dem Fahrzeugkurssignal auf der Leitung 453 gebildet wird. Deshalb wird der Transformationswinkel die Sensor-Referenzwinkelposition auf der Leitung 467. Aus diesem Grund werden TPSS und TRSS von einem Betrag transformiert, der der Winkelposition der Sensorreferenz in bezug auf die Vorwärts- Referenzachse des Fahrzeugs entspricht, was in den Transformationsfunktionen 410 und 412 geschieht.

Der Kartenreferenz-Modus ist beim Betrieb besonders dann nützlich, wenn die Position des Fahrzeugs unter Verwendung einer elektronischen Karte gesteuert wird, wobei diese elektronische Karte einen festen Referenzrahmen, z.B. Norden aufweist. In diesem Fall arbeiten sowohl das Steuerfeld des Bedieners als auch das Fahrzeug in bezug auf den fixen Referenzrahmen. Während des Betriebs mit einer Fahrzeugvorwärts-Referenz im Kartenreferenz-Modus ist das Ausgangssignal des Summierknotens 450 ein Signal, welches kennzeichnend für die ausgewählte Referenz ist, beispielsweise Norden. Deshalb ist der von dem Summierknoten 425 ausgegebene Transformationswinkel kennzeichnend für die Differenz zwischen dem Fahrzeugkurs und dem Referenzkurs. In den Gleichungen 1 und 2 werden der Nickbefehl und der Rollbefehl basierend auf der Differenz zwischen dem Flugzeugkurs und dem Kartenreferenzkurs transformiert. Wenn der Kartenreferenzmodus bei einer Sensorreferenz verwendet wird, so wird die Winkelposition des Sensors in bezug auf die Vorwärts- Referenzachse des Fahrzeugs in dem Summierknoten 450 auf die Kartenreferenz aufaddiert. Deshalb tragen die Transformationen 410 und 412 auch dem Winkelunterschied zwischen der Sensor- und der Fahrzeug-Vorwärtsreferenzachse während der Transformation von Nickbefehl und Rollbefehl Rechnung.

Die Arbeitsweise des Bedienerreferenz-Modus gern. Fig. 6 ist grundsätzlich identisch mit dem Betrieb des Kartenreferenz-Modus, der in Fig. 6 dargestellt ist, mit der Ausnahme, daß die Referenzachse zum Zweck der Transformation auf der Orientierung des Bediener-Steuerfelds bei Aktivierung des Bedienerreferenz-Modus basiert. Wenn daher der Bediener bei Aktivierung des Bedienermodus nach Norden schaut, wird auf der Leitung 453 die Nord-Referenz bereitgestellt.

Ein Problem in Verbindung mit einer festen Bedienerreferenz während des Betriebs im Bedienerreferenz-Modus besteht darin, daß dann, wenn der Bediener seine Stellung während der Fernbedienung des Fahrzeugs ändert, der feste Referenzrahmen nicht mehr den Vorteil intuitiver Roll- und Nickbefehle liefert. Um diesen Übelstand zu überwinden, kann ein variabler Bedienerreferenz-Modus vorgesehen werden, wann immer sich die Bedienerreferenz ändert, basierend auf Änderungen der Orientierung des Bediener-Steuerfeldes. Erreicht werden kann dies dadurch, daß man das Bediener-Steuerfeld auf einem Podest lagert und ein Servo- oder Gyrosignal bereitstellt, welches kennzeichnend ist für die Änderung der Position des Steuerfeldes in bezug auf die anfängliche Bedienerreferenz. Alternativ kann das Bediener-Steuerfeld mit einem Präzisions- Stellungsanzeiger ausgestattet werden, beispielsweise einem Ringlaser- Kreisel oder einem Trägheitspositionssystem, so daß Positionsänderungen des Steuerfeldes zu Änderungen in der Bediener- Referenzposition führen.

Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit einem unbemannten Luftfahrzeug beschrieben, und zwar aufgrund der komplexeren Steuerung bei Luftfahrzeugen. Allerdings versteht der Fachmann, daß das Steuersystem mit veränderlicher Referenz gemäß der Erfindung auf jedes fernbediente Fahrzeug anwendbar ist, vorausgesetzt es sind Mittel vorhanden, um die Orientierung des Fahrzeugs in bezug auf die ausgewählte Referenz zu bestimmen. Das Fahrzeug kann mit einem Bord-Navigationssystem ausgestattet sein, oder aber mit einer Einrichtung, die extern die Orientierung des Fahrzeugs bezüglich der Referenzachse erfaßt.


Anspruch[de]

1. Steuersystem (200, 400) mit veränderlicher Referenz zum Steuern des Betriebs eines fernbedienten Fahrzeugs (100), umfassend: eine Steuereinrichtung (205) zum Bereitstellen von Steuersignalen (405, 415);

gekennzeichnet durch:

eine Schalteinrichtung (257, 457), die auswählt zwischen einem fixen Referenzrahmen bezüglich des fernbedienten Fahrzeugs, einem fixen Referenzrahmen bezüglich des Erdbodens, und einem fixen Referenzrahmen bezüglich der Steuereinrichtung;

eine Transformationswinkeleinrichtung, die Signale bereitstellt, welche einen Transformationswinkel Θ repräsentieren, wobei die Transformationswinkelsignale kennzeichnend sind flir die Orientierung des fernbedienten Fahrzeugs in bezug auf den ausgewählten Referenzrahmen; und

eine Transformationseinrichtung, die auf die Steuersignale und die Transformationswinkelsignale anspricht, wobei die Transformationseinrichtung transformierte Steuersignale bereitstellt, welche die Bewegung des fernbedienten Fahrzeugs in bezug auf den ausgewählten Referenzrahmen steuern.

2. Steuersystern nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine Referenzeinrichtung, die eine Referenzstelle an dem fernbedienten Fahrzeug auswählt, wobei die Transformationseinrichtung auf die Referenzstelle anspricht, um die Bewegung der Referenzstelle in bezug auf den ausgewählten Referenzrahmen in Abhängigkeit der Steuersignale und der Transformationswinkelsignale zu steuern.

3. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung Steuersignale in einem orthogonalen Achsensystem in bezug auf die Steuereinrichtung bereitstellt, wobei das orthogonale Achsensystem definiert wird durch eine x-Richtung und eine zu der x-Richtung orthogonale y-Richtung, wobei die Steuereinrichtung x-Steuersignale in die x-Richtung und y- Steuersignale in die y-Richtung bereitstellt.

4. Steuersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformationseinrichtung x-transformierte Steuersignale für die x-Richtung gemäß folgender Relation bereitstellt:

x-transformiertes Steuersignal = x-Steuersignal * cos(Θ)y-Steuersignal *sin(Θ)

und die Transformationseinrichtung y-transformierte Steuersignale für die y-Richtung liefert, die durch folgende Relation definiert sind:

y-transformiertes Steuersignal = y-Steuersignal *cos(Θ) + x-Steuersignal *sin(Θ)

5. Steursystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelorientierung zwischen der Referenzstelle und einer fixen Referenzstelle an dem fernbedienten Fahrzeug durch einen Versatzwinkel (4)) definiert ist.

6. Steuersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung Steuersignale in einem orthogonalen Achsensystem bezüglich der Steuereinrichtung liefert, wobei das orthogonale Achsensystem definiert wird durch eine x-Richtung und eine zu der x-Richtung orthogonale y-Richtung, und die Steuereinrichtung x-Steuersignale für die x-Richtung und y- Steuersignale für y-Richtung liefert.

7. Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Transformationseinrichtung x-transformierte Steuersignale für die x-Richtung gemäß folgender Relation bereitstellt:

x-transformiertes Steuersignal x-Steuersignal *cos(Θ-φ)- y-Steuersignal *sin(Θ-φ)

und die Transformationseinrichtung y-transformierte Steuersignale für die y-Richtung liefert, die durch folgende Relation definiert sind:

y-transformiertes Steuersignal = y-Steuersignal *cos(Θ-φ) + x-Steuersignal *sin(Θ-φ).







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