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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttätigen Fernsteuerung mindestens eines steuerbaren Objekts auf einer vorgegebenen beliebigen virtuellen Bahn dergestalt, dass es erfindungsgemäß automatisierte Steuerungen von steuerbaren Objekten von außerhalb des Objektes auch in geschlossenen, von GPS-Positionierungssignalen abgeschirmten Räumen, mit vergleichsweise geringem Aufwand an technischen Mitteln bei hoher Positioniergenauigkeit erlaubt.
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Stand der Technik
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Bahnführungssysteme mit einer berührungsbehafteten oder berührungslosen Fesselung sind Stand der Technik; dabei werden materielle Spurführungen ausgelegt, die entweder mechanisch oder berührungslos über Magnete oder Sensoren verfolgt werden. Eine von zahllosen typischen berührungslosen Bahnführungen über eine Spurführung ist z. B. in
JP 2000242330 oder
JP 7261839 beschrieben.
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Eine weitere Möglichkeit der automatischen Spurführung ohne Fesselung stellt das sog. „Teach in”-Verfahren dar, wie es z. B. in
JP 63003315 beschrieben ist; dieses Verfahren ist jedoch für schwimmende, fliegende und schwebende Objekte aufgrund der fehlenden Korrekturmöglichkeit von nachträglichen Kursstörungen ungeeignet.
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Im vorliegenden Verfahren geht es um die Beschreibung einer vorteilhaften Bahnführung zur sicheren Verfolgung und Beibehaltung einer frei programmierbaren virtuellen Bahn ohne jede Fesselung mechanischer Natur und ohne Auslegen von materiellen Spurführungselementen entlang der virtuellen Bahn.
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Ungefesselte Bahnführungssysteme bzw. Positionierungssysteme für bewegliche, schwimmende, fahrende oder fliegende Objekte sind in Form von sogenannten Autopilot- oder DPS(Dynamische Positionierungs)-Systemen Stand der Technik. Damit werden Schiffe und Flugzeuge automatisch auf vorgegebenen virtuellen Bahnen gesteuert, bzw. im Falle von DPS auf einer vorgegebenen Position wahlweise auch unter Beibehaltung einer vorgewählten Kursrichtung stationär gehalten. Dabei errechnen die Systeme Differenzen zwischen Soll- und Ist-Position, und veranlassen automatisch geeignete Korrekturmanöver an die entsprechenden Propulsions- und Steuerorgane des beweglichen Objektes.
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Sowohl bei Autopilot- als auch bei DPS-Systemen werden generell GPS-(Global Positioning Signal)Satellitensignale zur Positionserkennung (Tracking) der Ist-Position genutzt (z. B.
JP 63028794 ;
WO 2005070127 ); zur Erhöhung der Positionierungsgenauigkeit der derzeit für einige Positionierungsaufgaben zu ungenauen GPS-Positionierung werden gegebenenfalls zusätzliche ortsfeste Dreipunktmessungen mit akustischer, optischer oder elektromagnetischer Entfernungsmessung zu Hilfe genommen (z. B. GP 2030733). Zum frühzeitigen Erkennen von Kursabweichungen (Drehungen) und rechtzeitiger Gegenreaktion insbesondere bei schwimmenden, fliegenden und schwebenden Objekten sind ein bordeigener Rechner und die Signale eines bordfesten Kreiselkompasses (Gyro) unerlässlich, da die GPS-Signale hierzu zu ungenau sind; ohne einen bordfesten Kreiselkompass können Drehungen nur durch genaue Ortsbestimmung von 2 Punkten auf dem Objekt sicher eingemessen werden; GPS oder ein sog. digitaler Kompass (ein kleiner Sensor, der das Erdmagnetfeld misst) sind hierzu zu ungenau. Ein weiteres Hindernis bei der Nutzung von GPS stellt die Abschirmung vom Satellitensignal dar, die eine zuverlässige Nutzung des Systems in geschlossenen Räumen (Beispiel: Tunnel, Garage) verhindert.
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Im Falle der bekannten Marschflugkörper (z. B.
EP 2 080 981 ) erfolgt eine Bahnführung aufgrund kontinuierlicher dreidimensionaler bordeigener Auswertung von Ist-Bildern in Kursrichtung und deren Vergleich mit den Soll-Bildern der vorgegebenen Bahnführung; dadurch kann ganz oder teilweise auf das externe Tracking über GPS verzichtet und vollständig autark operiert werden. Die oben angeführte Patentschrift zielt auf eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten des bekannten Marschflugkörpers dergestalt, dass dem Objekt im Flug Korrekturdaten für eine modifizierte Bahnführung übermittelt werden können, die der bordeigene Rechner dann selbsttätig weiterverfolgt. Ohne bordeigenen Rechner und Kreiselkompass ist eine Bahnführung nicht möglich.
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In allen obigen Fällen ist der apparative Aufwand an Bord des beweglichen Objektes aufwendig und hoch, so dass sich eine Verwendung im Modellmaßstab verbietet. Bewegliche schwimmende oder fliegende, nicht straßen- bzw. schienengebundene Modell-Objekte werden deshalb ausschließlich über Funkfernsteuerungen manuell gesteuert; automatisierte Anlagen greifen deshalb ausschließlich auf schienengebundene bzw. anderweitig (z. B. mittels Magnetspur) gefesselte Modelle zurück.
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In der Patentschrift
EP 1 965 222 wird ein Verfahren zur „Verfolgung” von ein oder mehreren Objekten beschrieben, vermittels welchem Soll- und Ist-Bahnen beweglicher Objekte von einer ortfesten Position (e. g. an Land) aus verglichen werden. Dabei ermittelt das Verfahren zunächst nach bestimmten Kriterien, ob ein bewegtes Objekt einer bestimmten bekannten (gespeicherten) Bahn zugeordnet werden kann, um es dann weiter zu verfolgen. Eine automatische Kurssteuerung des Objektes in Abhängigkeit der Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Kurs oder eine Übermittlung solcher Korrekturdaten vom ortsfesten Rechner an das bewegte Objekt ist in diesem Patent (im Unterschied zum hier vorgelegten Verfahren) nicht angelegt. Außerdem verweist die Patentschrift beim Tracking-Vorgang allgemein auf Multi Sensor-Tracker (MST); in der Beschreibung auf Küsten-Radar-Sensoren und sog. AIS(Automatic intendification System)-Sensoren, die die internationale Identifizierungs-Kennung des Objektes erfassen, sowie auf „alle anderen Arten von Sensorvorrichtungen”. Die dort direkt angeführten Systeme sind jedenfalls für die erfindungsgemäß im hier vorgelegten Patent verfolgten Zwecke zu aufwändig bzw. aufgrund ihres Platzbedarfes im Objekt nicht geeignet. Es ist die erfindungsgemäße Aufgabe, hierzu ein deutlich einfacheres Tracking-System vorteilhaft zum Einsatz zu bringen.
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In der Patentschrift
EP 1365301 wird ein Verfahren insbesondere für die Bahnführung von Schiffen und Flugzeugen beschrieben, bei welchem die Propulsions-Manöver zur Erreichung des jeweils nächsten neuen virtuellen Bahnpunktes über eine rechnerische Simulation des dynamischen Bewegungsverhaltens des Objektes errechnet und zur Ausführung gebracht werden. ein solches Verfahren wird auch auf der Katamaranfähre Stena HSS 1500 eingesetzt („Autopilot and track-keeping algorithms for high-speed craft”, Claes G. Källström, SSPA Maritime Consulting, PO Box 24001, SE-400 22 Göteborg, Sweden). Im letzteren Verfahren erfolgt die Annäherung an die Kai mit Radar- und Kameraunterstützung. Der rechnerische Aufwand und damit der Aufwand an Hardware erfolgt an Bord und ist hoch; eine Fernsteuerung von Land aus, sowie eine präzise Erfassung des Objektortes und der Objektbewegung über die GPS-Methode hinaus (z. B. relativ zu einer Kaimauer) ist in der Beschreibung nicht angelegt. Für die hier beschriebene Verwendung ist deshalb eine solche Einrichtung generell ungeeignet.
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In der Patentschrift
DE 3927851 wird ein Verfahren vornehmlich für fliegende Objekte für die fernkontrollierte Start- und Landephase beschrieben, welches auf die in dieser Phase zu ungenauen Messungen des momentanen Ortes und der Objektlage (wie z. B. GPS-Messungen) verzichtet, und eine Opto-elektronische Dreipunktmessung von 3 Leuchtpunkten beschreibt, die in einer festen Dreiecksform entweder am Objekt oder an der Bodenstation befestigt sind, und entweder von einer festen Bodenstation gegen das fliegende Objekt oder umgekehrt eingemessen werden. Dieses System findet bei jeder Überschneidung von wenigstens 2 der 3 Leuchtpunkte bzw. schon kurz davor seine Grenzen, und erlaubt damit nicht die hier erfindungsgemäß verfolgte beliebige Bahnsteuerung auch von Kreismanövern und revolvierenden Manövern wie Hin- und Rückfahrt, da bei solchen Manövern sich die Leuchtpunkte jedesmal stark annähern und zeitweise überdecken, und damit nicht mehr einmessbar sind. Im Falle einer bordgestützten Sensoranlage der zitierten Beschreibung ist zusätzlich der apparative Aufwand an Bord des beweglichen Objektes so hoch, dass sich die hier erfindungsgemäß unter Anderem verfolgte Verwendung im Modellmaßstab verbietet. Für die hier beschriebene Verwendung ist also eine solche Einrichtung generell ungeeignet.
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In der Patentschrift
JP 59011412 wird ein Verfahren zur Führung eines beweglichen Objektes auf Basis der bekannten Laser-Tracker vorgetragen. Dabei befindet sich auf dem Objekt das Messprisma (die sog. „Probe”), die vom ortsfest installierten Lasermessgerät angepeilt wird; ein Rechner errechnet aus Azimuth-Winkel und Distanz zwischen Laser-Standort und Objekt die jeweilige genaue Lage des Objektes im Raum, vergleicht mit der Soll-Lage und korrigiert die Lage über Radio-Transmitter (Funkfernsteuerung) gegebenenfalls. Die praktische Schwierigkeit einer solchen Anlage liegt in dem Problem, dass der Laserstrahl immer genau auf das Zielprisma treffen muss und entsprechend unabhängig von den Bewegungen des Objektes das Ziel niemals verlieren darf, da dann die Messung und damit die Ortsbestimmung sofort unterbrochen ist. Des weiteren ist bei dieser Methode das Problem zunächst ungelöst, mehrere Objekte im gleichen Manöverraum sicher zu unterscheiden und zu führen in dem Moment, wo sich ein Messprisma eines Objektes sich durch den Messstrahl eines anderen Objektes hindurch bewegt. Für die praktische Anwendung in der Öffentlichkeit bzw. für Anlagen mit Publikumsverkehr setzt auch der Schutz vor dem Augenkontakt mit dem Laserstrahl der Methode Grenzen. Die Methode kann auch zunächst nicht den Kurswinkel des Objektes ermitteln; ein schwimmendes, schwebendes oder fliegendes Objekt müsste also an 2 Punkten von 2 unabhängigen Laser-Entfernungsmessern angemessen werden, was den Aufwand erheblich erhöht. Eine solche Messanlage ist sehr aufwendig und teuer. Für die erfindungsgemäß hier beschriebene Anwendung ist diese Methode daher nicht geeignet.
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Einen Sonderfall bilden die Schiffbauversuchsanstalten, bei denen Schiffe im Modellmaßstab in Wasserbecken möglichst naturgetreu gefahren und hinsichtlich ihrer Eigenschaften hochgenau zwecks späterer Umrechnung und Prognose der Großausführung vermessen werden. Bei den Manövrierversuchen fahren solche Modellschiffe ebenfalls fesselungsfrei mit eigenem Antrieb und Rudereinfluss, allerdings nicht zwangsweise auf einer festen vorgegebenen virtuellen Bahn, sondern mit vorgegebenen Rudermanövern. Komplexe Fahrsimulationen werden manuell über Funkfernsteuerung kontrolliert. Aufgrund der nicht-Nutzbarkeit der GPS-Signale (geschlossene Räume, Genauigkeit) werden eigene Tracking-Systeme mit optischer, elektromagnetischer oder akustischer Dreipunktmessung genutzt; in einem Falle auch berührungsbehaftete Messungen über einen auf Schienen mitfahrenden Messwagen über dem Objekt. Für die hier beschriebene automatische Bahnverfolgung eignen sich all diese Verfahren nicht.
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Einen weiteren Sonderfall stellen bewegliche Objekte dar, die über ein mitgeschlepptes Datenkabel ferngesteuert werden. Diese Technik findet bei sogenannten ROV's (Remote Operated Vehicle) Anwendung, z. B. bei Tauchrobotern. In neuesten Anwendungen werden geschleppte Glasfaser-Datenkabel auch zur Zielsteuerung von Raketen genutzt, vorzugsweise unter zusätzlicher Übermittlung eines vorausschauenden Videobildes aus dem Objekt wie beim ROV (z. B.
EP 0355311 ). Hierbei handelt es sich aber lediglich um eine kabelgebundene, manuelle Fernsteuerung, und nicht um eine automatisierte Bahnsteuerung. Für die erfindungsgemäße Aufgabe ist diese Technik ohnehin ungeeignet, da sich geschleppte Kabel bei mehreren Objekten mit beliebigen, wiederholt befahrenen Bahnen verknoten, und zusätzlich der apparative Spulaufwand und/oder Schleppwiderstand des Kabels eine Verwendung der erfindungsgemäßen Art nicht erlauben.
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Es ist die erfindungsgemäße Aufgabe, ein vergleichbar einfaches und unaufwendiges Verfahren bereitzustellen, welches die wünschenswerten automatischen, beliebig oft wiederholbaren Bahnabläufe und Bahnsteuerungen von beweglichen, steuerbaren Objekten, auch und gerade im Modellmaßstab oder in einem Maßstab geeignet für Funparks, ohne Fesselung und menschlichen Eingriff, vermittels Fernsteuerung von einem ortsfesten, objektfernen Rechner ohne die oben ersichtlichen Zwänge und Aufwende erlaubt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Erfindung löst die Aufgabe, eine automatisierte Bahnführung von beweglichen Objekten mit eigenem Antrieb und eigener Steuerung auf beliebigen, virtuellen, vorprogrammierten Bahnen ohne großen apparativem Aufwand auch für Objekte im Modellmaßstab zu ermöglichen, ohne manuelle Eingriffe. Ein solches Verfahren ist bisher nicht verwirklicht.
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Dabei nutzt die Erfindung die vorhandene fahrtechnische Manöveraustattung der beweglichen Objekte, sowie erfindungsgemäß einfache, vorhandene Sensortechnik zum Tracking der Ist-Position der Objekte, handelsübliche ortsfeste Computer, auf denen das digitale Bilderkennungs- und Bahnführungsprogramm programmiert ist, und die mit einem handelsüblichen Interface die Steuerungsdaten über eine handelsübliche RC-Fernsteuerung die Kurskorrekturbefehle vom Rechner zum beweglichen Objekt übertragen.
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In einer typischen, erfindungsmäßigen Ausgestaltung am Beispiel eines schwimmenden Objektes (Modellschiff) (1 bzw. 12) läuft ein solches Verfahren wie folgt ab (1):
Das Schwimmende Objekt ist wie für solche Zwecke üblich standardmäßig mit einem oder mehreren Propellern zur Vorwärts- und Rückwärtsfahrt (9), mit einem oder mehreren Rudern zur Kurskorrektur in Fahrt nach Backbord oder Steuerbord (9), sowie mit ein- oder mehreren Manövriereinrichtungen wie z. B. Bug und/oder Heckstrahlruder (Querstrahl-Propeller) zur Durchführung einer Drehung ohne Fahrt (9) ausgerüstet. Diese Propulsionsorgane werden über eine handelsübliche Mehrkanal-RC(Remote Control)-Anlage mit Sender (4) und Empfänger/Servos (5) ferngesteuert. Zur Verdeutlichung sind diese Propulsionsorgane in 2 nochmals einzeln am schwimmenden Objekt (12) dargestellt als Propeller und Ruder (17) und Querstrahler (18).
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In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird diese RC-Anlage über ein handelsübliches Interface (13) mit einem ortsfesten Rechner (14) gekoppelt, so dass Steuerbefehle vom Rechner über das erfindungsgemäße Verfahren generiert und über die RC-Anlage mit Sender (4) und Empfänger (5) unverzüglich zum schwimmenden Objekt übertragen und zur Ausführung gebracht werden.
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Ferner ist das Objekt im vorderen und hinteren Bereich mit geeigneten Identifikationsmerkmalen (15) ausgestattet, die zum einen dem eingesetzten Tracking-Sensor (3) die Unterscheidung des Objektes von anderen zu steuernden Objekten erlaubt, zum anderen die Unterscheidung von Vorn und Hinten zur Identifikation der Kursausrichtung. Bei der erfindungsgemäß bevorzugten Auswahl einer optischen Tracking-Methode sind dies typischerweise Farbflächen oder farbige Positionslampen (15).
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Die erfindungsgemäß ausgestaltete Anlage wird dann mit diesen ein- oder mehreren Tracking-Sensoren (3) so ausgestattet, dass diese ein oder mehrere Objekte entweder alleine oder mit mehreren Sensoren überlappend im gesamten Gebiet, in dem die Objekte gesteuert werden sollen, abschattungsfrei erfassen können, und die Positionsdaten und der Kurs des Objektes aus den x- und y-Koordinaten XR, YR und XW, YW (6) der einzelnen Identifikationsmerkmale (15) über eine Bilderkennungs- und Bildauswertungs-Software (16) der individuellen Objekte im Rechner (14) zu beliebigen Zeitpunkten ausgewertet werden können (3).
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In dem erfindungsgemäß ausgestalteten Verfahren werden dem Rechner die Ausgangsdaten (17) der Bahnführung (2) für jedes Objekt (1) übergeben und dort gespeichert. Dies sind im Wesentlichen die charakteristischen Daten der beweglichen Objekte, insbesondere deren Propulsionsausrüstung- und -Charakteristika, so wie die Bahndaten mit typischerweise Start- und Zielpunkt, Start- und Ziel-Kursausrichtung, Soll-Punkten auf der Strecke, Wartezeiten bei Start und Ziel bzw. beim Wiederholen von Bahnen, besondere Manöver und Manöverbereiche auf der Strecke, und Geschwindigkeiten auf der Strecke.
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Im Verfahren fragt der Rechner (14) zu geeigneten Zeitpunkten die Ist-Position des zu führenden Objektes (1 bzw. 12) beim Sensor (3) über das Bilderkennungsprogramm (16) ab und errechnet über die vorderen und hinteren Identifikationsmerkmale (15) die Kursausrichtung des Objektes (1 bzw. 12). Über die Verrechnung mit Position und Kurs des gleichen Objektes zum vorhergehenden Zeitschritt (Delta t) ermittelt der Rechner (14) dann noch die lateralen und rotatorischen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen des Objektes (im Falle eines Schiffes Schiffs-Geschwindigkeit und -Beschleunigung, Gier-Geschwindigkeit und -Beschleunigung).
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Diese Daten werden nun mit den Soll-Daten (17) der Soll-Bahnführung (2) dergestalt verglichen, dass die Abweichungen (8) zwischen Soll- und Ist-Zustand des Objektes zeitlich und/oder örtlich ausgewertet werden.
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In Abhängigkeit von Größe und Richtung dieser Abweichungen (8) ermittelt der Rechner (14) anschließend geeignete Korrekturbefehle zur Beaufschlagung der Steuereinrichtungen (9, 17, 18) des Objektes (1 bzw. 12), die über die Fernsteuerung (4) unverzüglich zur Ausführung auf dem Objekt (1 bzw. 12) übermittelt werden.
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Zum Beispiel wird der Rechner (14) bei Ermittlung einer Kursabweichung zwischen Soll- und Ist-Position nach Backbord zum Zeitpunkt t eine Ruderkorrektur mit Ruderlage nach Steuerbord veranlassen; bei zu niedriger Geschwindigkeit eine Erhöhung der Propellerdrehzahl voraus, usw..
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Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Vorhaltung und Anwendung eines getrennten Fahr- (10) und Manöverprogrammes (11) zur Bahnführung des Objektes (4). Bewegliche Objekte, wie insbesondere fliegende oder schwimmende Objekte, haben sehr unterschiedliches Kursverhalten in Fahrt- und Manöverbedingungen, und damit unterschiedliche Anforderungen an die Kurskontrolle und damit an die Bahnführung. Ein Schiff wird im Manöver z. B. die Querstrahl-Einrichtungen (z. B. Bug/Heckstrahler) nutzen, die es in Fahrt nicht nutzen kann. Es kann quer zur Fahrtrichtung bewegt werden (traversieren), was in freier Fahrt weder sinnvoll noch physikalisch möglich ist. Ein Flugzeug hat bei Start und Landung, beim Steig- und Sinkflug andere Eigenschaften und nutzt andere Flügel- und Ruderelemente als im freien Streckenflug.
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In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens wird zum einen über den Soll/Ist-Abgleich der Position des Objektes erkannt, ob es sich aus einem typischen Bereich mit freier Fahrt in einen Manöverbereich hinein oder umgekehrt heraus bewegt; in diesem Fall schaltet das Verfahren vom Fahrprogramm (10) auf das Manöverprogramm (11) und umgekehrt automatisch um. Dabei werden dann die bekannten Ausgangsdaten (17) des Objektes berücksichtigt, z. B. ob das Objekt im Falle eines Schiffes über einen Querstrahler im Heck verfügt oder nicht, um ihn gegebenenfalls für Korrekturmanöver einzusetzen und zu beaufschlagen.
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Zum anderen (5) fragt das Verfahren zu jedem Zeitschritt ab, ob es zu Kursinstabilitäten (21) gekommen ist; diese werden dadurch erkannt, dass die Kursabweichungen vom Sollkurs in mehreren aufeinander folgenden Zeitschritten divergieren (größer werden) und trotz Korrekturmanöver nicht konvergieren (kleiner werden). In einem solchen Fall wird das Verfahren z. B. im Falle eines Schiffes das Schiff aufstoppen, und nachfolgend im Manöverprogramm das Schiff auf den Sollkurs der Sollposition drehen, und dann zur Soll-Position traversieren lassen, um es danach wieder an das Fahrprogramm zur weiteren Bahnführung zu übergeben. Diese Rückgabe an das Fahrprogramm erfolgt dann, wenn der Unterschied zwischen Soll- und Ist-Position in x-und y-Richtung, sowie der Kurswinkel jeweils kleiner als eine vorgegebene Genauigkeitsgrenze Epsilon (22) sind.
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Die Vorhaltung dieser Verfahren mit Manöver- und Fahrprogramm erlauben in vorteilhafter Weise die fehlersichere Nutzung von überlappenden, preisgünstigen Sensoren (3), um ein beliebig großes und beliebig gestaltetes Fahrtgebiet lückenlos zur Kontrolle der Bahnführung des Objektes abzudecken. Dabei werden jeweils im Überschneidungsbereich des Erfassungsgebietes der Sensoren (3) Start- und Zielgebiete für das Objekt auf dessen Soll-Bahn definiert und als Ausgangsdaten (17) im Rechner (14) gespeichert. Erreicht das Objekt das solchermaßen definierte Start- oder Zielgebiet, kann der Rechner die Führung des Objektes auf den nächsten geeigneten Sensor (3) übergeben, und die Bahnführung unterbrechungsfrei fortsetzen, und so fort.
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Über eine kontinuierliche Wiederholung dieser Verfahrensschritte wird erreicht, dass die Objekte auf ihren vorgegebenen Bahnen im vorgegebenen Rhythmus automatisch gesteuert werden, und auch Störungen (Kursinstabilitäten) über eine automatische Rückkehr auf den Sollkurs automatisch ausgeglichen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2000242330 [0002]
- JP 7261839 [0002]
- JP 63003315 [0003]
- JP 63028794 [0006]
- WO 2005070127 [0006]
- EP 2080981 [0007]
- EP 1965222 [0009]
- EP 1365301 [0010]
- DE 3927851 [0011]
- JP 59011412 [0012]
- EP 0355311 [0014]
