PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10163131A1 03.07.2003
Titel Verfahren zum Führen eines ersten beweglichen Objekts relativ zu einem manövrierenden zweiten beweglichen Objekt
Anmelder Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, 88662 Überlingen, DE
Erfinder Beutel, Andreas, 88662 Überlingen, DE
Vertreter Weisse und Kollegen, 42555 Velbert
DE-Anmeldedatum 20.12.2001
DE-Aktenzeichen 10163131
Offenlegungstag 03.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.07.2003
IPC-Hauptklasse F41G 7/20
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Führen eines Verfolgers, der mit einem Suchkopf und einem Führungsrechner, auf den die Suchkopfsignale aufgeschaltet sind, versehen ist, zu einem manövrierenden Ziel. Insbesondere betrifft die Erfindung das Führen eines zielverfolgenden Flugkörpers zu einem manövrierenden Flugziel. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Führung eines Verfolgers zu einem manövrierenden Ziel zu schaffen, bei welchem der Verfolger auch bei Manövern des Ziels auf einer energetisch günstigen Bahn zu dem Ziel geführt wird. Zu diesem Zweck wird die Position und die momentane Bahn des Ziels mittels des Suchkopfes und des Führungsrechners ermittelt. Es werden laufend eine Mehrzahl von Positionen, die das Ziel zum Zeitpunkt eines Prädiktionshorizontes unter Zugrundelegung möglicher Manöver des Ziels einnimmt, prädiziert. Es werden Übergangswahrscheinlichkeiten von der momentanen Bahn auf die sich durch die Manöver ergebenden Bahnen anhand bestimmter Kriterien oder Erfahrungen vorgegeben und es wird ein momentaner "Schwerpunkt" der mit den Übergangswahrscheinlichkeiten multiplizierten Positionen gebildet. Der Verfolger wird auf diesen momentanen Schwerpunkt geführt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Führen eines ersten beweglichen Objekts mit einem Suchkopf und einem Führungsrechner, auf den die Suchkopfsignale aufgeschaltet sind, versehen ist, relativ zu einem manövrierenden zweiten beweglichen Objekt.

Insbesondere betrifft die Erfindung das Führen eines zielverfolgenden Flugkörpers zu einem manövrierenden Flugziel. Die Erfindung wird daher im folgenden anhand eines zielverfolgenden Flugkörpers erläutert.

Zielverfolgende Lenkflugkörper haben einen Suchkopf, der üblicherweise mittels eines Infrarotsensors ein Ziel erfaßt und verfolgt, so daß die Sichtlinie zwischen verfolgendem Lenkflugkörper und Ziel, also ein auf das Ziel gerichteter Einheitsvektor, und deren Änderung ≙ im inertialen Raum bestimmt werden kann. Moderne Suchköpfe enthalten auch Radar- oder Ladar-Sensoren, welche die Entfernung R zum Ziel und deren Änderung ≙ bestimmen können. Damit kann die augenblickliche Begegnungssituation zwischen Flugkörper und Flugziel erfaßt werden. Der Flugkörper kann jedoch nicht "wissen", welche Manöver das Flugziel in Zukunft ausführen wird, um dem anfliegenden Flugkörper zu entkommen. Wenn der Flugkörper auf jedes Manöver des Flugziels sofort mit einer Flugbahnänderung auf einen Kollisionskurs mit der durch das Manöver geänderten Position und Flugbahn des Flugziels reagiert, verbraucht er u. U. übermäßig viel Antriebsenergie, so daß er das Flugziel nicht mehr erreichen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Führung eines ersten beweglichen Objekts relativ zu einem manövrierenden zweiten beweglichen Objekt zu schaffen, bei welchem das erste bewegliche Objekt auch bei Manövern des zweiten beweglichen Objekts auf einer energetisch günstigen Bahn zu dem zweiten beweglichen Objekt geführt wird.

Der Erfindung liegt weiter die dazu komplementäre Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Führung eines ersten beweglichen Objekts relativ zu einem manövrierenden zweiten beweglichen Objekt zu schaffen, bei welchem das erste bewegliche Objekt auch bei Manövern des zweiten beweglichen Objekts auf einer energetisch günstigen Bahn eine Kollision mit dem zweiten beweglichen Objekt vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Verfahrensschritte:

  • a) Erfassen der Position und der momentanen Bahn des zweiten beweglichen Objekts mittels des Suchkopfes und des Führungsrechners,
  • b) Laufendes Prädizieren einer Mehrzahl von Positionen, die das zweite bewegliche Objekt zum Zeitpunkt eines Prädiktionshorizontes unter Zugrundelegeung möglicher Manöver des zweiten beweglichen Objekts einnimmt,
  • c) Vorgabe von Übergangswahrscheinlichkeiten von der momentanen Bahn auf die sich durch die Manöver ergebenden Bahnen,
  • d) Bildung eines momentanen "Schwerpunktes" der mit den Übergangswahrscheinlichkeiten multiplizierten Positionen,
  • e) Führung des ersten beweglichen Objekts auf diesen momentanen Schwerpunkt oder von diesem weg.

Angewandt auf die Begegnungssituation von zielverfolgendem Flugkörper und Flugziel:

Der Suchkopf des verfolgenden Flugkörpers "sieht" eine momentane Begegnungssituation. Wenn das verfolgte Flugziel keine Manöver ausführt, kann vorhergesagt werden, in welcher Position sich das Flugziel nach einer bestimmten Zeit, dem "Zeithorizont" befindet. Der Flugkörper würde dann so fliegen, daß er nach dieser Zeit diese Position erreicht und damit das Flugziel trifft. Das Flugziel wird nun aber, wenn es mit seinen Sensoren einen anfliegenden Flugkörper entdeckt, Fluchtmanöver ausführen. Es kann dabei Kurven nach rechts oder links fliegen oder z. B. nach oben ziehen. Diese Manöver können früher oder später durchgeführt werden. Es können sich verschiedene Manöver aneinander anschließen. Jedes Manöver führt zu einer zugeordneten Position, in welcher sich das Flugziel im Zeithorizont der Prädiktion befinden würde, wenn das Flugziel das Manöver ausführen würde. Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Überlegung, daß zu jedem Zeitpunkt eine gewissen Wahrscheinlichkeit besteht, daß das eine oder das andere Manöver ausgeführt wird. Solche Wahrscheinlichkeiten lassen sich abschätzen z. B. aus dem vorhergehenden Flugverhalten des Flugziels, den Flugeigenschaften des Flugziels oder der Kenntnis, welches Fluchtmanöver bei der gegebenen Begegnungssituation zwischen Flugkörper und Flugziel optimal wäre. Eine entsprechende Wahrscheinlichkeit besteht dann für die Positionen im Zeithorizont. Es wird nun jede so ermittelte Position mit dieser Wahrscheinlichkeit multipliziert. Aus den so gewichteten Positionen ergibt sich ein "Schwerpunkt". Dieser Schwerpunkt wird von dem Flugkörper verfolgt. Für anschließende Zeitpunkte ergeben sich entsprechend der dann existierenden Begegnungsgeometrie andere prädizierte Positionen, andere Wahrscheinlichkeiten und dementsprechend auch eine Verlagerung des Schwerpunktes. Da aber die Zeiträume bis zum Prädiktinshorizont laufend kürzer werden, liegen die prädizierten Positionen immer näher an den vorher, z. B. in einem vorhergehenden Rechentakt berechneten, Positionen. Die für die verschiedenen Manöver prädizierten Positionen ziehen sich um den "Schwerpunkt" zusammen. Und dieser Schwerpunkt wird von dem Flugkörper angesteuert.

Vorteilhafterweise entspricht der Projektionshorizont einer geschätzten Restflugzeit. Dabei kann durch Sensoren des Suchkopfes zur Bildung des Prädiktionshorizontes die Entfernung R zum Flugziel und deren Änderungsrate ≙ gemessen und die Restflugzeit aus





geschätzt werden. Zu Beginn der Begegnungssituation kann eine starke Beschleunigungsphase auftreten. Damit würde die Restflugzeit am Anfang auf der Basis einer relativ geringen Flugkörpergeschwindigkeit viel zu groß abgeschätzt. Dem kann dadurch Rechnung getragen werden, daß die so geschätzte Restflugzeit in der Anfangsphase der Begegnungssituation mit einer steil ansteigenden Korrekturfunktion multipliziert wird.

Vorteilhafterweise sind die Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen den Flugmanövern zeitabhängig. Diese Zeitabhängigkeit sieht vorteilhafterweise vor, daß die Übergangswahrscheinlichkeiten vom aktuellen Zeitpunkt zum Projektionshorizont hin nach ansteigenden Funktionen verändert werden. Dabei beginnt der Anstieg der die Übergangswahrscheinlichkeit wiedergebenden Funktion um so früher, je mehr Zeit das zugehörige Manöver erfordert. Die Zeitabhängigkeiten der verschiedenen Manöver bilden so eine Kurvenschar von übereinander verlaufenden, zum Projektionshorizont ansteigenden Kurven. Diese Auslegung beruht auf der Überlegung, daß sich die Notwendigkeit für das verfolgte Flugziel, ein Fluchtmanöver durchzuführen, um so mehr erhöht, je geringer der Abstand zum Projektionshorizont ist. Das Fluchtmanöver muß um so früher begonnen werden, je mehr Zeit es benötigt.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Flugkörper, der ein Luftziel verfolgt.

Fig. 2 zeigt zweidimensional die Begegnungsgeometrie eines Verfolgers, z. B. eines zielverfolgenden Flugkörpers, und eines Ziels, z. B. eines manövrierenden Flugziels.

Fig. 3 bis 5 zeigen zu verschiedenen Zeitpunkten mögliche Manöver des Ziels mit geschätzten Wahrscheinlichkeiten des Überganges zu diesen Manövern und die bei den verschiedenen Manövern in einem Zeithorizont einer Prädiktion erreichten Positionen des Ziels sowie "Schwerpunkte" der gewichteten Positionen, die sich durch Gewichtung der Positionen mit den Wahrscheinlichkeiten ergeben.

Fig. 6 zeigt die zeitliche Veränderung der geschätzten Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Manöver.

Fig. 7 zeigt eine Funktion mit welcher ein aus Abstand und Abstandsänderung geschätzter Zeithorizont der Prädiktion zu multiplizieren ist.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Verfolger in Form eines zielverfolgenden Flugkörpers bezeichnet. Der Flugkörper 10 weist einen Suchkopf 12 und einen Führungsrechner 14 auf. Der Flugkörper 10 verfolgt ein Flugziel 16. Das Flugziel 16 enthält Sensoren 18, welche den anfliegenden Flugkörper 10 erfaßt und auch die Begegnungsgeometrie erfassen. Das Flugziel sucht dem anfliegenden Flugkörper 10 durch Fluchtmanöver zu entkommen.

Die Begegnungsgeometrie ist in Fig. 2 dargestellt. Mit R ist der Abstand zwischen Flugkörper 10 und Flugziel 16 bezeichnet. σ bezeichnet den Winkel der Sichtlinie von Flugkörper 10 und Ziel bezogen auf ein inertiales Koordinatensystem, das hier durch eine Achse 20 dargestellt ist. vV ist die Geschwindigkeit des Flugkörpers 10, vA ist die Geschwindigkeit des verfolgten Flugziels 16. Mit χV ist der Flugbahnwinkel des Flugkörpers und mit χA der Flugbahnwinkel des Flugziels 16 bezeichnet. Der Suchkopf 12 erfaßt mit einem Infararotsensor die Sichtlinien-Drehrate ≙ und mit Radar- oder Ladarsensoren den Abstand R und die Abstandsänderung ≙. Daraus lassen sich Zielgeschwindigkeit vA und Bahnwinkel des Flugziels 16 bestimmen.

Wenn das Flugziel 16 keine Manöver ausführt, läßt sich prädizieren, wo sich das Flugziel 16 in einem Zeithorizont der Prädiktion befindet. Der Zeithorizont wird dabei zweckmäßig gleich der Restflugzeit gewählt, die sich aus dem Quotienten von Abstand R und Abstandsänderung ≙ ergibt. Auf diese Position wird der Flugkörper 10 gesteuert. Nun führt aber das Flugziel 16 in der Regel Fluchtmanöver aus, wenn es mit seinen Sensoren einen anfliegenden Flugkörper 10 erfaßt. Welche Manöver das sein werden, "weiß" der Flugkörper 10 nicht. Der Flugkörper 10 kann daher nur ständig auf die prädizierten Kollisionspunkte gelenkt werden, die sich aus der augenblicklichen Position und Flugbahn des Flugziels 16 ergeben. Das führt zu einer Verlängerung der Flugbahn des Flugkörpers 10 und unerwünschten Kurswechseln.

Das wird durch das im Zusammenhang mit Fig. 3 bis 5 erläuterte Verfahren vermieden. Fig. 3 bis 5 ist eine stark schematische, zweidimensionale Darstellung.

Der Flugkörper 10 "weiß" zwar nicht, welches Manöver das verfolgte Flugziel demnächst ausführen wird. Es können aber Betrachtungen darüber angestellt werden, welche Manöver das Flugziel 16 überhaupt ausführen kann und mit welcher Wahrscheinlichkeit das Flugziel 16 aus seiner gegenwärtigen Flugbahn ein solches Manöver, z. B. eine Rechts- oder Linkskurve mit dem einen oder dem anderen Krümmungsradius ausführen wird.

In Fig. 3 ist angenommen, daß das Flugziel 16 von einer momentanen Position 22A waagerecht in Fig. 3 fliegt. Im Zeithorizont der Prädiktion würde das Flugziel bei Fortsetzung dieser Flugbahn 24A eine Position 26A einnehmen. Es besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit w26A dafür, daß das Flugziel 16 so fliegt und dann in der Position 26A ist. Das Flugziel 16 kann aber auch in eine Rechtskurve 28A mit relativ großem Krümmungsradius übergehen. Das Flugziel 16 wäre in diesem Fall im Zeithorizont der Prädiktion in der Position 30A. Für den Übergang in die Rechtskurve 28A und demnach das Erreichen der Position 30A gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit w30A. Entsprechend gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit w34A dafür, daß das Flugziel eine Linkskurve fliegt und im Zeithorizont die Position 34A erreicht usw. Die Wahrscheinlichkeiten lassen sich abschätzen z. B. aus dem vorhergehenden Flugverhalten des Flugziels, den Flugeigenschaften des Flugziels oder der Kenntnis, welches Fluchtmanöver bei der gegebenen Begegnungssituation zwischen Flugkörper und Flugziel optimal wäre. Die Positionen 26A, 30A, 34A usw. werden mit den Wahrscheinlichkeiten w26A, w30A, w34A usw. gewichtet. Es kann dann ein "Schwerpunkt" 36A bestimmt werden. Diese Operationen werden im Rechner 14 des Flugkörpers 10 durchgeführt. Der Flugkörper 10 wird dementsprechend in Richtung auf den so ermittelten "Schwerpunkt" 36A geführt.

Fig. 4 zeigt die Verhältnisse zu einem späteren Zeitpunkt. Das Flugziel 16 hat eine Linkskurve 24B eingeleitet und befindet sich in der Position 22B. Im Zeithorizont würde sich bei Weiterverfolgung dieser Linkskurve eine Position 26B mit einer Wahrscheinlichkeit w26B ergeben. Das Flugziel könnte aber ausgehend von der Position 22B weitere Manöver ausführen, z. B. eine noch engere Linkskurve 38B, die im Zeithorizont zu einer Position 40B mit einer Wahrscheinlichkeit w40B führen würde, oder - weniger wahrscheinlich - eine Rechtskurve 42B, die im Zeithorizont zu einer Position 44B mit einer Wahrscheinlichkeit w44B führt. Auch hier führt eine Gewichtung der Positionen 26B, 40B, 42B usw. zu einem "Schwerpunkt" 36B. Die Abstände zwischen der Position 22B und den sich aus den möglichen Manövern ergebenden Positionen 26B, 40B, 42B usw. sind wegen des geringeren Abstandes zum Zeithorizont geringer als die Abstände vom Punkt 22A zu den Positionen 26A, 30A, 34A usw. Die Postionen 26B, 40B, 42B usw. "konvergieren" zu dem Schwerpunkt hin.

Das wird noch deutlicher in Fig. 5, wo die möglichen Manöver und die dafür zur Verfügung stehende Zeit weiter beschränkt sind.

Der Flugkörper 10 wird mittels üblicher Lenkverfahren jeweils auf den nach diesem Verfahren ermittelten Schwerpunkt hin geführt. Bei geeigneter Wahl der angesetzten Wahrscheinlichkeiten ergibt sich dabei eine energetisch günstigere Flugbahn und eine höhere Trefferwahrscheinlichkeit, als wenn die Lenkung des Flugkörpers jeweils aus der momentanen Position und Flugbahn des Flugziels und den von diesem ausgeführten Manövern abgeleitet würde.

Bei Annäherung an den Zeithorizont wird für das verfolgte Flugziel die Zeit für Fluchtmanöver knapp. Die Wahrscheinlichkeit für den Übergang zu einem Manöver steigt daher bei Annäherung an den Zeithorizont, d. h. die . geschätzte Restflugzeit des Flugkörpers 10, steil an. Dabei muß dieser Anstieg der Wahrscheinlichkeit für jedes Manöver um so früher beginnen, je mehr Zeit das Manöver benötigt. Das ist in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 6 verläuft die Zeitachse von rechts nach links. Rechts ist der aktuelle Zeitpunkt, links der Zeithorizont der Prädiktion. Die Wahrscheinlichkeit ist durch jeweils eine Kurve für verschiedene Manöver dargestellt, die unterschiedlich lange Zeit in Anspruch nehmen. Es ergibt sich eine Kurvenschaar von übereinander verlaufenden, z. B. exponentiellen Kurven.

Der Zeithorizont für die Prädiktion wird entsprechend der geschätzten Restflugzeit gewählt. Die Restflugzeit wird geschätzt auf





Zu Beginn der Begegnungssituation ist die Geschwindigkeit des Flugkörpers 10 noch relativ niedrig. Der Flugkörper erfährt dann eine Beschleunigung. Daher wird ≙ zunächst entsprechend niedrig angesetzt und die geschätzte Restflugzeit wird zu hoch. Fig. 7 zeigt im rechten Teil eine ansteigende Korrekturfunktion, mit welcher die jeweils so geschätzte Restflugzeit multipliziert werden muß, um den Zeithorizont für die Prädiktion richtig festzulegen. Der Abfall dieser Funktion im linken Teil von Fig. 7 stellt sicher, daß der Zeithorizont für die Prädiktion schließlich auf eine Restflugzeit null absinkt.

Mit detaillierterem Wissen können die Erzeugung des Zeithorizonts für die Prädiktion und die Verteilungsfunktionen, also die Verteilung der oben erwähnten Wahrscheinlichkeiten, heuristisch verbessert werden. Dieses Wissen kann in neuronalen Netzen abgelegt und weitergelernt werden. Hier kommt insbesondere verstärkendes Lernen ("Reinforcement Learning") in Frage.

Eine weitere Möglichkeit, die Verteilungsfunktionen zu ermitteln, bestehen darin, durch umfangreiche Simulationen mit allen Variationen bekannter, üblicher Manöver die Wahrscheinlichkeiten für die Manöverwechsel in probabilistischen Netzen (z. B. "Bayes Belief Networks") abzulegen. Die betrachteten Manöver können dabei auch analytisch berechnete, optimale Ausweichmanöver berücksichtigen.

Die Erfindung wurde vorstehend der Anschaulichkeit halber anhand des Beispiels Flugkörper und Flugziel erläutert, wo es aus der Sicht des Flugkörpers darauf ankommt, eine Kollision zu erreichen. Die Erfindung ist aber auch für Ausweichmanöver des Flugziels anwendbar, wo es aus der Sicht des Flugziels darauf ankommt, eine solche Kollision zu vermeiden, und zwar in diesem Fall dadurch, daß das Flugziel von dem bei Beobachtung der Manöver des Flugkörpers ermittelten "Schwerpunkt" weggeführt wird. Die Erfindung ist generell anwendbar überall, wo ein Zusammentreffen eines ersten und eines zweiten beweglichen Objekts erreicht oder eine Kollision der Objekte vermieden werden soll. Eine Anwendung kann z. B. in der Robotik liegen, wenn ein mit Sensoren versehener Roboter ein sich unkontrolliert, z. B. auf einer Rutsche bewegendes Teil erfassen soll.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Führen eines ersten beweglichen Objekt, das mit einem Suchkopf und einem Führungsrechner, auf den die Suchkopfsignale aufgeschaltet sind, versehen ist, relativ zu einem manövrierenden zweiten beweglichen Objekt mit den Verfahrensschritten:
    1. a) Erfassen der Position und der momentanen Bahn des zweiten beweglichen Objektes mittels des Suchkopfes und des Führungsrechners,
    2. b) Laufendes Prädizieren einer Mehrzahl von Positionen, die das zweite bewegliche Objekt zum Zeitpunkt eines Prädiktionshorizontes unter Zugrundelegeung möglicher Manöver des zweiten beweglichen Objekts einnimmt,
    3. c) Vorgabe von Übergangswahrscheinlichkeiten von der momentanen Bahn auf die sich durch die Manöver ergebenden Bahnen,
    4. d) Bildung eines momentanen "Schwerpunktes" der mit den Übergangswahrscheinlichkeiten multiplizierten Positionen,
    5. e) Führung des ersten beweglichen Objektes auf diesen momentanen Schwerpunkt oder von diesem weg.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste bewegliche Objekt ein zielverfolgender Flugkörper und das zweite bewegliche Objekt ein manövrierendes Flugziel ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektionshorizont einer geschätzten Restflugzeit entspricht.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Sensoren des Suchkopfes zur Bildung des Prädiktionshorizontes die Entfernung R zum Flugziel und deren Änderungsrate ≙ gemessen und die Restflugzeit aus





    geschätzt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die so geschätzte Restflugzeit in der Anfangsphase der Begegnungssituation mit einer steil ansteigenden Korrekturfunktion multipliziert wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen den Manövern zeitabhängig sind.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangswahrscheinlichkeiten vom aktuellen Zeitpunkt zum Projektionshorizont hin nach ansteigenden Funktionen verändert werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg der die Übergangswahrscheinlichkeit wiedergebenden Funktion um so früher beginnt, je mehr Zeit das zugehörige Manöver erfordert.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com