DE102012222812A1 - Method for controlling state of vehicle e.g. underwater vehicle, involves outputting valid result at current time value of control quantity to vehicle based on optimal control value sequence - Google Patents

Abstract

The method involves reading current values of control variables and metrics of state of the vehicle. The state quantities of the vehicle are reconstructed from the read current values based on the current structure of the multi-variable problem. An optimal static operating point is determined based on the reconstructed state variables. The optimum is determined for stabilizing the operating point control variable sequence. The valid result is output at the current time value of the control quantity to the vehicle based on the optimal control value sequence. Independent claims are included for the following: (1) a device for controlling a state of a vehicle; and (2) a computer program product for controlling a state of a vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Computerprogrammprodukt zur Regelung des Rollwinkels und/oder rechtweisenden Kurses bzw. der Kursrate und/oder der Tauchtiefe bzw. der Tauchtiefenrate und/oder des Trimmwinkels von Fahrzeugen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen (im Folgenden U-Boote genannt).The present invention relates to a method, a device, a computer program product for controlling the roll angle and / or right course or course rate and / or the depth or depth of immersion and / or the trim angle of vehicles, especially underwater vehicles (hereinafter U Called boats).

Es gibt zwei Möglichkeiten, im Wasser zu schwimmen, sinken oder schweben:
Man verändert das Volumen des Körpers, und sein Gewicht bleibt gleich, oder man ändert das Gewicht, während sein Volumen gleich bleibt. Ein U-Boot nutzt die zweite Möglichkeit, indem Tauchzellen entweder mit leichter Luft oder mit schwererem Wasser gefüllt werden und damit ihr Gesamtgewicht verändern. Wird Wasser über Flutventile in die Tauchzellen gelassen, wird die Luft über die Entlüftungsventile herausgedrückt. Das U-Boot bekommt Untertrieb und sinkt. Ist die gewünschte Tiefe erreicht, werden die Entlüftungsventile geschlossen. Um aufzutauchen, wird Pressluft aus Druckflaschen in die Tauchzellen gepumpt und das Wasser über die Flutventile wieder herausgedrückt, das U-Boot bekommt Auftrieb und steigt wieder. Um das U-Boot auf ebenem Kiel zu halten, dienen Trimmzellen. Diese sind im Bug und am Heck des Bootes angeordnet. Ragt nun also der Bug zu weit nach oben, wird Wasser von den achteren Trimmzellen nach vorne in die Bugtrimmzellen gepumpt, damit das Boot hinten leichter und vorne schwerer wird.There are two ways to swim, sink or float in the water:
You change the volume of the body, and its weight remains the same or you change the weight while its volume remains the same. A submarine takes the second option of filling submerged cells with either light air or heavier water, thereby changing their overall weight. If water is let into the dip tanks via flood valves, the air is forced out through the vent valves. The submarine gets underdriven and sinks. When the desired depth is reached, the vent valves are closed. To emerge, compressed air from pressurized bottles is pumped into the immersion tanks and the water is pushed out again via the flood valves, the submarine gets buoyant and rises again. To keep the submarine on a level keel, trim cells are used. These are arranged in the bow and at the stern of the boat. If the bow protrudes too far, water is pumped from the aft trim cells forward into the bow trimming cells, making the boat lighter at the rear and heavier at the front.

1 zeigt eine Skizze eines typischen U-Bootes. 1 shows a sketch of a typical submarine.

2 zeigt eine Skizze typischer Ruder am Heck eines U-Bootes. 2 shows a sketch of typical oars at the stern of a submarine.

Im statisch ausgetrimmten Zustand werden der Kurs sowie Tiefe und Trimm eines U-Bootes typischerweise durch zwei Höhenruder und ein Seitenruder in Bezug auf bspw. eine horizontale Referenz (HR) und eine feste Richtungsreferenz (FR) gesteuert. Dabei befinden sich das hintere Höhenruder, das um den Winkel δ_S nach unten oder oben gegenüber der Schiffslängsachse verschwenkbar ist, sowie das Seitenruder, das um den Winkel δ_R seitlich gegenüber der Schiffslängsachse verschwenkbar ist, am Heck des U-Bootes und das vordere Höhenruder, das um den Winkel δ_B nach unten oder oben gegenüber der Schiffslängsachse verschwenkbar ist, am Bug oder Turm, wobei die Platzierung des vorderen Ruders stark unterschiedlich bei verschiedenen Bootsklassen sein kann.In the statically trimmed condition, the heading and depth and trim of a submarine are typically controlled by two elevators and a rudder with respect to, for example, a horizontal reference (HR) and a fixed direction reference (FR). Here are the rear elevator, which is pivotable by the angle δ _S downwards or upwards relative to the ship's longitudinal axis, and the rudder, which is pivotable by the angle δ _R laterally relative to the ship's longitudinal axis, at the stern of the submarine and the front elevator , which is pivotable by the angle δ _B down or up with respect to the ship's longitudinal axis, at the bow or tower, the placement of the front rudder can be very different in different boat classes.

Einige moderne U-Boote verfügen über eine x-förmige Anordnung der Heckruder, wobei 4 Ruderflächen δ_1-4 unabhängig voneinander verschwenkt werden können. Diese bieten den Vorteil, dass zusätzliche Freiheitsgrade gewonnen werden, welche genutzt werden können um beispielsweise den Rollwinkel unabhängig vom Kurs- und Nickwinkel zu steuern.Some modern submarines have an x-shaped arrangement of the tail rudder, taking 4 Ruder surfaces δ _1-4 can be pivoted independently. These offer the advantage that additional degrees of freedom are gained, which can be used to control, for example, the roll angle regardless of the course and pitch angle.

Diese Aktuatoren eines U-Bootes (egal ob kreuz- oder x-förmige Anordnung) erzeugen Kräfte und Momente (X, Y, Z, K, M, N), sofern sie von Wasser ausreichender Geschwindigkeit umströmt werden. Die Kräfte und Momente bewirken, dass das U-Boot translativ oder rotatorisch beschleunigt wird, wodurch Geschwindigkeiten und Drehraten (u, v, W, p, q, r) entstehen. Über kinematische Beziehungen ändern sich durch die Geschwindigkeiten und Drehraten die Position sowie die Eulerwinkel des U-Bootes. Die Systemdynamik ändert sich typischerweise im Betrieb fortlaufend mit der Geschwindigkeit des U-Bootes, da zum einen die wirkenden Kräfte und Momente der Ruderflächen proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit des umströmenden Wassers sind und zum anderen bremsende Reibungseffekte des Wassers von der Geschwindigkeit des U-Bootes abhängen. Die absolute maximale Auslenkung der Ruder ist physikalisch beschränkt, ebenso die Änderungsrate der Ruder. Diese Aktuatoreigenschaften (Steuergrößenbeschränkung und Steuergrößenratenbeschränkung) können sich im laufenden Betrieb des U-Bootes ändern (z.B. durch eine befohlene Schleichfahrt oder durch Blockierung der Ruder).These actuators of a submarine (whether cross- or x-shaped arrangement) generate forces and moments (X, Y, Z, K, M, N), if they are flowed around by water of sufficient speed. The forces and moments cause the submarine to be translationally or rotationally accelerated, producing speeds and yaw rates (u, v, W, p, q, r). The position and the Euler angle of the submarine change via kinematic relationships due to the speeds and yaw rates. The system dynamics typically vary continuously with the speed of the submarine in operation, since on the one hand the acting forces and moments of the rudder surfaces are proportional to the square of the velocity of the circulating water and on the other hand braking friction effects of the water depend on the speed of the submarine , The absolute maximum deflection of the rudders is physically limited, as is the rate of change of the rudders. These actuator characteristics (control size constraint and control size rate constraint) may change during ongoing operation of the submarine (e.g., by commanded crawl or by blocking the rudders).

Zusammenfassend handelt es sich bei der Regelung von U-Booten um ein regelungstechnisches Problem mit Mehrgrößencharakter, variabler Systemdynamik und variablen Aktuatoreigenschaften.In summary, the control of submarines is a control technical problem with multi-variable character, variable system dynamics and variable actuator characteristics.

Bekannte praktische Umsetzungen zur Regelung des rechtweisenden Kurses bzw. der Kursrate und/oder der Tauchtiefe bzw. der Tauchtiefenrate und/oder des Trimmwinkels eines U-Bootes verwenden klassische Regelungskonzepte, wie z.B. Zustandsregler oder PID-Regler. Um der sich ändernden Systemdynamik Rechnung zu tragen, werden typischerweise diskrete Geschwindigkeitsarbeitspunkte gewählt, für die in der Entwurfsphase die Parameter der Regelung bestimmt werden. Zur Behandlung der variablen Aktuatoreigenschaften werden typischerweise klassische Methoden, wie z.B. Anti-Windup-Methoden, eingesetzt.Known practical implementations for controlling the right course or course rate and / or the diving depth or the diving depth rate and / or the trim angle of a submarine use classic control concepts, such as, for example, State controller or PID controller. In order to account for the changing system dynamics, discrete velocity work points are typically selected for which the control parameters are determined in the design phase. For the treatment of the variable actuator properties typically classical methods, e.g. Anti-windup methods used.

Bei allen bekannten Ansätzen und Umsetzungen ist es notwendig die Parameter der Regelung während der Entwurfsphase so zu bestimmen, dass eine ausreichende Regelgüte unter Berücksichtigung der Aktuatoreigenschaften erzielt wird. Dies ist durch die sich ändernde Systemdynamik sehr aufwändig. Ändern sich die Aktuatoreigenschaften im laufenden Betrieb des Reglers, ohne dass eine entsprechende Rekonfiguration der Reglerparameter vorgenommen wird, kann sich die Regelgüte signifikant bis hin zur Instabilität reduzieren.In all known approaches and implementations, it is necessary to determine the parameters of the control during the design phase so that a sufficient quality of control is achieved taking into account the Aktuatoreigenschaften. This is very complex due to the changing system dynamics. The actuator properties change in the current state Operation of the controller, without a corresponding reconfiguration of the controller parameters is performed, the control quality can significantly reduce to instability.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von sich im dreidimensionalen Raum bewegenden Fahrzeugen, insbesondere Unterwasserfahrzeugen, unter Berücksichtigung variabler Systemeigenschaften im Betrieb des Reglers zu schaffen.The invention has for its object to provide a method and apparatus for controlling moving in three-dimensional space vehicles, especially underwater vehicles, taking into account variable system properties in the operation of the controller.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 bzw. 7 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features specified in claim 1 and 7 respectively.

Hiernach sind das Verfahrens und die Vorrichtung dazu ausgelegt, aktuelle Werte von Steuergrößen und Messgrößen über den Zustand des Fahrzeugs einzulesen und eine aktuelle Struktur eines Mehrgrößenproblems zu bestimmen, um dann Zustandsgrößen des Fahrzeugs aus den eingelesenen aktuellen Werten basierend auf der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems zu rekonstruieren und einen optimalen statischen Arbeitspunkt basierend auf den rekonstruierten Zustandsgrößen zu bestimmen. Sodann wird eine zur Stabilisierung des Arbeitspunktes optimale Steuergrößenfolge bestimmt und ein zum aktuellen Zeitpunkt gültiger Wert der Steuergröße an das Fahrzeug basierend auf der optimalen Steuergrößenfolge ausgegeben. Die Messgrößen können beispielsweise Ausgangsgrößen von Fahrzeugsensoren umfassen.Thereafter, the method and apparatus are adapted to read current values of control quantities and measurements about the state of the vehicle and to determine a current structure of a multi-size problem to then reconstruct state quantities of the vehicle from the read current values based on the current structure of the multi-size problem and determine an optimal static operating point based on the reconstructed state variables. Then, an optimum for the stabilization of the operating point control variable sequence is determined and issued at the current time valid value of the control variable to the vehicle based on the optimal control variable sequence. The measured variables may include, for example, output variables of vehicle sensors.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, eine prädiktive Regelung von Unterwasserfahrzeugen bereitzustellen, mittels der eine hohe Regelgüte unter Berücksichtigung der Veränderungen in der Systemdynamik sowie in den Aktuatoreigenschaften im Betrieb des Reglers erreicht werden kann.An advantage of the invention is to provide a predictive control of underwater vehicles, by means of which a high control quality, taking into account the changes in the system dynamics and in the Aktuatoreigenschaften in the operation of the controller can be achieved.

Vorzugsweise wird das Einlesen der aktuellen Werte in Abtastschritten durchgeführt, wobei die optimale Steuergrößenfolge mit jedem Abtastschritt in Abhängigkeit neu eingelesener Werte der Steuer- und Messgrößen neu bestimmt wird. The read-in of the current values is preferably carried out in sampling steps, the optimum control variable sequence being newly determined with each sampling step as a function of newly read-in values of the control and measured variables.

Ferner kann das Bestimmen der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems ein Festlegen von zum aktuellen Zeitpunkt gültigen diskretisierten Zustandsraumdarstellungen abhängig von einem Systemzustandsvektor, einem Steuersignalvektor, einem Störsignalvektor, einem Messsignalvektor und vorbestimmten Abbildungsfunktionen umfassen.Further, determining the current structure of the multi-size problem may include determining currently valid discretized state space representations depending on a system state vector, a control signal vector, a noise vector, a measurement signal vector, and predetermined mapping functions.

Der Systemzustandsvektor und der Störsignalvektor können beispielsweise aus dem Messgrößenvektor und dem Steuergrößenvektor unter Benutzung der Abbildungsfunktionen rekonstruiert werden. For example, the system state vector and the jamming signal vector may be reconstructed from the measured variable vector and the control variable vector using the mapping functions.

Als weitere Option können nicht gemessene Systemzustände oder Störsignale durch geschätzte Größen ersetzt werden. As another option, unmeasured system states or spurious signals can be replaced by estimated quantities.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the drawings.

1 zeigt eine prinzipielle Skizze eines typischen U-Bootes, in dem die vorliegende Erfindung beispielhaft eingesetzt werden kann, 1 shows a schematic sketch of a typical submarine, in which the present invention can be used by way of example,

2 zeigt eine prinzipielle Skizze typischer U-Boot Heckruder, 2 shows a schematic sketch of a typical submarine stern rudder,

3 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm eines Regelungsverfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und 3 shows a principle flowchart of a control method according to a first embodiment, and

4 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Regelungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. 4 shows a schematic block diagram of a control device according to a second embodiment.

Der Erfindung wird nachfolgenden anhand von auf eine Regelung zur Stabilisierung eines U-Bootes gerichteten Ausführungsbeispielen beschrieben. Dazu werden zunächst die Bewegungsgleichungen für ein U-Boot beschrieben.The invention will be described below with reference to embodiments directed to a control for stabilizing a submarine. First, the equations of motion for a submarine are described.

Koordinatensystemecoordinate systems

Zum Verständnis der Bewegungsgleichungen ist es notwendig vier Koordinatensysteme mit Achsen x, y und z zu definieren. Nachfolgende Definitionen sind aus Jan Wedel, „Integrierte Navigationssysteme“, Oldenbourg Verlag, 2007 entnommen:To understand the equations of motion, it is necessary to define four coordinate systems with axes x, y, and z. The following definitions are off Jan Wedel, "Integrated Navigation Systems", Oldenbourg Verlag, 2007 taken:

1. Inertialkoordinatensystem (Earth-centered inertial frame (i-frame))1. inertial coordinate system (Earth-centered inertial frame (i-frame))

Der Ursprung des Inertialkoordinatensystems befindet sich im Mittelpunkt des Rotationsellipsoids, der die Erdgestalt annähert. Die Koordinatenachsen sind fest in Bezug zu den Fixsternen. Die zⁱ-Achse des Inertialkoordinatensystems fällt mit der Rotationsachse der Erde zusammen, die xⁱ-Achse und die yⁱ-Achse liegen in der Äquatorebene.The origin of the inertial coordinate system is at the center of the ellipsoid of revolution, which approximates the Earth's shape. The coordinate axes are fixed in relation to the fixed stars. The z ⁱ -axis of the inertial coordinate system coincides with the axis of rotation of the earth, the x ⁱ -axis and the y ⁱ -axis lie in the equatorial plane.

2. Erdfestes Koordinatensystem (Earth-centered Earth-fixed frame (e-frame))2. Earth-centered Earth-fixed frame (e-frame)

Das erdfeste Koordinatensystem besitzt denselben Ursprung wie das Inertialkoordinatensystem. Die Koordinatenachsen sind fest im Bezug zur Erde, wobei die z^e-Achse mit der zⁱ-Achse zusammenfällt. Die x^e-Achse ist bestimmt durch die Schnittgerade von Äquatorebene und der Ebene des Nullmeridians. Das erdfeste Koordinatensystem rotiert bezüglich des Inertialkoordinatensystems um die z^e-Achse mit der Erddrehrate.The earth-fixed coordinate system has the same origin as the inertial coordinate system. The coordinate axes are fixed with respect to the earth, where the z ^e -axis coincides with the z ⁱ -axis. The x ^e axis is determined by the intersection line of the equatorial plane and the plane of the zero meridian. The earth-fixed coordinate system rotates with respect to the inertial coordinate system about the z ^e -axis with the Erddrehrate.

3. Körperfestes Koordinatensystem (Body frame (b-frame)) 3. Body-fixed coordinate system (body frame (b-frame))

Die Achsen des körperfesten Koordinatensystems sind fest im Bezug zum Fahrzeug und weisen in Fahrzeuglängsrichtung (x^b-Achse), nach rechts (y^b-Achse) und nach unten (z^b-Achse). Der Ursprung befindet sich im Fahrzeug.The axes of the body-fixed coordinate system are fixed with respect to the vehicle and point in the vehicle longitudinal direction (x ^b -axis), to the right (y ^b -axis) and downwards (z ^b -axis). The origin is in the vehicle.

4. Navigationskoordinatensystem (North-East-Down frame (n-frame))4. Navigation coordinate system (North-East-Downframe (n-frame))

Der Ursprung des Navigationskoordinatensystems fällt mit dem Ursprung des körperfesten Koordinatensystems zusammen. Die xⁿ- und die yⁿ-Achse weisen in Nord- bzw. Ostrichtung und liegen in der Tangentialebene an dem Erdellipsoid. Die zⁿ-Achse weist nach unten und ist parallel zur Schwerebeschleunigung.The origin of the navigation coordinate system coincides with the origin of the body-fixed coordinate system. The x ⁿ and y ⁿ axes point north or east and lie in the tangential plane on the ellipsoid of the earth. The z ⁿ axis points downwards and is parallel to the gravitational acceleration.

Vektorielle DefinitionenVectorial definitions

Zur eindeutigen Bezeichnung von Geschwindigkeiten ν und Drehraten ω werden drei Indizes benötigt, die beispielhaft anhand des Geschwindigkeitvektors ν n / eb erklärt werden sollen: Der obere Index gibt an, in Koordinaten welchen Koordinatensystems die Größe gegeben ist. Bei diesem Beispiel steht der obere Index für das Navigationskoordinatensystem, die so bezeichnete Geschwindigkeit ist also in den Koordinatenrichtungen Norden, Osten und Unten angegeben. Die beiden unteren Indizes geben an, dass es sich um die Geschwindigkeit des körperfesten Koordinatensystems bezüglich des erdfesten Koordinatensystems handelt.For the unambiguous designation of velocities ν and rotation rates ω, three indices are needed, for example the velocity vector ν n / eb to be explained: The upper index indicates, in coordinates which coordinate system the size is given. In this example, the upper index represents the navigation coordinate system, so the velocity so designated is in the north, east, and below coordinate directions. The two lower indices indicate that it is the velocity of the body-fixed coordinate system with respect to the earth-fixed coordinate system.

Bewegungsgleichungenequations of motion

Ein U-Boot besitzt sechs Freiheitsgrade, bestehend aus drei translatorischen und drei rotatorischen Bewegungsmöglichkeiten. Die Position und Lage sowie Geschwindgkeiten und Drehraten eines U-Bootes lassen sich durch folgende Vektoren eindeutig beschreiben: η = [φ, λ, h, ϕ, θ, ψ]^T ν = [u, ν, w, p, q, r]^T A submarine has six degrees of freedom, consisting of three translatory and three rotational movement possibilities. The position and position as well as the speeds and rotation rates of a submarine can be clearly described by the following vectors: η = [φ, λ, h, φ, θ, ψ] ^T ν = [u, v, w, p, q, r] ^T

Dabei ist η der generalisierte Kinematikvektor und ν der generalisierte Dynamikvektor. η enthält Informationen über die Position des U-Bootes (Breitengrad φ, Längengrad λ, Tiefe h ) sowie Informationen über die Eulerwinkel (Rollwinkel ϕ, Nickwinkel θ, Kurswinkel ψ). ν enthält Informationen über die Ge schwindigkeit des U-Bootes (ν b / eb ) sowie Informationen über die Drehraten (ω b / nb )Where η is the generalized kinematics vector and ν is the generalized dynamic vector. η contains information about the position of the submarine (latitude φ, longitude λ, depth h) and information about the Euler angles (roll angle φ, pitch angle θ, heading angle ψ). ν contains information about the speed of the submarine (ν b / eb ) as well as information about the rotation rates (ω b / nb )

Die Bewegung eines U-Bootes kann anhand von zwei vektoriellen Bewegungsgleichungen beschrieben werden: η . = J(η)ν . Mν . + C(ν)ν + D(ν)ν + g(η) = τ + g₀ + w The movement of a submarine can be described by two vector equations of motion: η. = J (η) ν. Mν. + C (ν) ν + D (ν) ν + g (η) = τ + g ₀ + w

Dabei stellt die erste Gleichung die kinematische Bewegungen des U-Bootes im Raum dar, d.h. die Änderung von Position und Eulerwinkeln aufgrund von Geschwindigkeiten und Drehraten. Die zweite Gleichung beschreibt die Dynamik, d.h. die Änderung von Geschwindigkeiten und Drehraten aufgrund von Kräften und Momenten.The first equation represents the kinematic movements of the submarine in space, i. the change of position and Euler angles due to speeds and yaw rates. The second equation describes the dynamics, i. the change of speeds and yaw rates due to forces and moments.

In der ersten Gleichung beschreibt J die Beziehung zwischen den Ableitungen der Positions- und Eulerwinkel und den translatorischen und rotatorischen Geschwindigkeiten. Eine detaillierte Beschreibung ist in Thor I. Fossen, „Marine Control Systems“, Marine Cybernetics, 2002 zu finden.In the first equation, J describes the relationship between the derivatives of the position and Euler angles and the translational and rotational velocities. A detailed description is in Thor I. Fossen, "Marine Control Systems", Marine Cybernetics, 2002 to find.

In der zweiten Gleichung beschreibt M die Massenträgheitsmatrix. C(ν) ist die Coriolis- und Centripetalmatrix. Das U-Boot ist im Wasser verschiedenen äußeren Einflüssen, wie Wellengang, Strömungen, Wirbelablösungen, Auftriebs- und Gravitationskraft ausgesetzt. D(ν) beschreibt die ebenfalls geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungen, die durch Reibungen, Wellenbewegungen und Wirbelablösungen am Rumpf entstehen. Der Vektor g(η) beinhaltet die Gravitations- und Auftriebskräfte. Den auf das U-Boot wirkenden Kräften gegenüber stehen die positions- und geschwindigkeitsunabhängigen Größen: Die durch Steuereingänge (z.B. Ruder) erzeugten Kräfte und Momente τ, Veränderungen in den Ballasttanks werden im Vektor g₀ beschrieben und ω beinhaltet Störeinflüsse durch Wind, Wellen und Strömungen. Details zu allen Größen sind ebenfalls in Thor I. Fossen, „Marine Control Systems“, Marine Cybernetics, 2002 zu finden.In the second equation, M describes the mass inertia matrix. C (ν) is the Coriolis and centripetal matrix. The submarine is exposed in the water to various external influences, such as waves, currents, vortex shedding, buoyancy and gravitational force. D (ν) describes the equally speed-dependent damping caused by friction, wave motion and vortex shedding on the hull. The vector g (η) contains the gravitational and buoyant forces. The forces acting on the submarine are independent of position and velocity: The forces and moments τ generated by control inputs (eg rudder), changes in the ballast tanks are described in the vector g ₀ and ω includes disturbances caused by wind, waves and currents , Details of all sizes are also in Thor I. Fossen, "Marine Control Systems", Marine Cybernetics, 2002 to find.

Für die Entwicklung einer digitalen Regelung aus den o.a. Bewegungsgleichungen werden die Funktionen f und g eingeführt, welche durch geeignete Diskretisierung und gegebenenfalls Vereinfachung der Bewegungsgleichung entstehen.For the development of a digital regulation from the o.a. Equations of motion are the functions f and g introduced, which arise through appropriate discretization and possibly simplification of the equation of motion.

Die Dynamik (Systemkinematik und Systemdynamik) eines zu regelnden U-Boot-Systems ist dann in allgemeiner, diskreter Zustandsraumdarstellung formulierbar: x_k+1 = f(x_k, u_k, d_k) y_k = g(x_k) mit dem Systemzustandsvektor x ∊ Rⁿ, dem Steuersignalvektor u ∊ R^m, dem Störsignalvektor d ∊ R^v, dem Messsignalvektor y ∊ R^T, sowie Abbildungen f(x, u, d): Rⁿ × R^m × R^v → Rⁿ und g(x): Rⁿ → R^r.The dynamics (system kinematics and system dynamics) of a controlled submarine system can then be formulated in a general, discrete state space representation: x _{k + 1} = f (x _k , u _k , d _k ) y _k = g (x _k ) with the system state vector x ε R ⁿ , the control signal vector u ε R ^m , the interference signal vector d ε R ^v , the measurement signal vector y ε R ^T , as well as maps f (x, u, d): R ⁿ × R ^m × R ^v → R ⁿ and g (x): R ⁿ → R ^r .

In Analogie zu den Bewegungsgleichungen finden sich die für die Regelung benötigten Positions-, Winkel-, Geschwindigkeits- und Drehratengrößen im Systemzustandsvektor wieder. Der Steuersignalvektor beinhaltet Größen wie z.B. Seiten- und Höhenruder. Äußere, nicht genau modellierbare Einflüsse wie z.B. Wirbelkräfte und Seegangskräfte werden im Störsignalvektor bedacht. Dieser beinhaltet ebenfalls gegebenenfalls eingeführte Vereinfachungen. Die Funktion f beschreibt, wie der Systemzustand von dem vorherigen Systemzustand, den Steuersignalen und den Störgrößen abhängig ist. Die Messwerte y lassen sich aus dem aktuellen Systemzustand über die Funktion g berechnen. Typische Messwerte bei einem U-Boot können die Tauchtiefe h, die Eulerwinkel [ϕ, θ, ψ] und die Vorwärtsgeschwindigkeit u sein, sind aber nicht darauf beschränkt.In analogy to the equations of motion, the position, angle, speed and rotation rate quantities required for the control can be found in the system state vector. The control signal vector includes quantities, e.g. Elevator and elevator. External, not exactly modelable influences such. Eddy forces and sea forces are considered in the noise vector. This also includes any introduced simplifications. The function f describes how the system state is dependent on the previous system state, the control signals and the disturbances. The measured values y can be calculated from the current system state via the function g. Typical readings for a submarine may include, but are not limited to, the diving depth h, the Euler angles [φ, θ, ψ] and the forward speed u.

Dem System bzw. Regler kann eine Diskretisierungszeit/Abtastzeit Δt zugrunde gelegt sein.The system or controller may be based on a discretization time / sampling time Δt.

Der eingangsseitige Steuersignalvektor u_k und seine Änderungsrate Δu_k = u_k – u_k-1 können durch die nachfolgenden (vektorwertigen) Schranken begrenzt sein: u_k ∊[u – / k; u + / k] Δu_k ∊ [Δu – / k; Δu + / k] The input-side control signal vector u _k and its rate of change Δu _k = u _k -u _{k -1} can be limited by the following (vector-valued) limits: u _k ε [u - / k; u + / k] Δu _k ∈ [Δu - / k; Δu + / k]

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient die Regelung der Stabilisierung des Arbeitspunktes des U-Bootes, der definiert ist durch: (x_AP, u_AP, d_AP) → f(x_AP, u_AP, d_AP) = x_AP In the present embodiment, the control of the stabilization of the operating point of the submarine, which is defined by: (x _AP , u _AP , d _AP ) → f (x _AP , u _AP , d _AP ) = x _AP

Ein Arbeitspunkt kann beispielsweise eine gewünschte Tauchtiefe h_AP und gewünschte Eulerwinkel [ϕ, θ, ψ]_AP enthalten. Bei einer gewünschten Fahrt nach Osten wäre beispielsweise ψ_AP = 90°.An operating point may, for example, include a desired diving depth h _AP and desired Euler angles [φ, θ, ψ] _AP . For example, for a desired eastward drive, ψ _AP = 90 °.

Das Ziel einer modellbasierten prädiktiven Regelung des U-Bootes ist somit die Bestimmung des Regelgesetzes u = σ(x, d) ∊ [u^–; u⁺] basierend auf der Lösung eines dynamischen Optimierungsproblems.The goal of a model-based predictive control of the submarine is thus the determination of the law u = σ (x, d) ε [u ^- ; u ⁺ ] based on the solution of a dynamic optimization problem.

Dieses dynamische Optimierungsproblem ist zum Systemzeitpunkt t_k definiert durch:

unter Berücksichtigung von x_k+1 = f(x_k, u_k, d_k) x₀ = x(t_k) ≈ x ^(t_k) u₀ = u(t_k) d_k = d(t_k) ≈ d ^(t_k) u_i ∊ [u – / i; u + / i] Δu_i ∊ [Δu – / i; Δu + / i] x ~_i = x_i – x_AP u ~_i = u_i – u_AP This dynamic optimization problem is defined at system time t _k by:

considering x _{k + 1} = f (x _k , u _k , d _k ) x ₀ = x (t _k ) ≈ x ^ (t _k ) u ₀ = u (t _k ) _dk = d ( _tk ) ≈d ^ ( _tk ) u _i ε [u - / i; u + / i] .DELTA.u _i ε [.DELTA.u - / i; Δu + / i] x ~ _i = x _i - x _AP u ~ _i = u _i - u _AP

Dabei stellen x(t_k), d(t_k) und u(t_k) den Systemzustandsvektor, den Störsignalvektor und den Steuersignalvektor zum Systemzeitpunkt t_k dar. Typischerweise werden nicht alle Systemzustände und Störsignale gemessen, daher können sie durch geschätzte Größen x ^(t_k) und d ^(t_k) ersetzt werden. Die Rekonstruktion des Systemzustandsvektors x ^(t_k) und Störsignalvektors d ^(t_k) kann durch Beobachtung aus dem Messgrößenvektor y_k erfolgen. Ferner sind x ~_i und u ~_i die Abweichungen des Systemzustands- bzw. des Steuersignalvektors vom Arbeitspunkt zum Prädiktionszeitpunkt t_k + iΔt. Die Horizontlänge N bestimmt die Länge des Intervalls, auf dem die Zustandstrajektorie des Systems prädiziert wird.Here, x (t _k ), d (t _k ), and u (t _k ) represent the system state vector, the jamming vector, and the control signal vector at system time t _k . Typically, not all system states and jamming signals are measured, therefore they can be estimated by estimated quantities x i (t _k ) and d ^ (t _k ) are replaced. The reconstruction of the system state vector x ^ (t _k ) and interference signal vector d ^ (t _k ) can be done by observation from the measured variable vector y _k . Furthermore, x ~ _i and u ~ _{i are} the deviations of the system state and the control signal vector from the operating point to the prediction time t _k + iΔt. The horizon length N determines the length of the interval at which the state trajectory of the system is predicted.

Vorzugsweise wird im Gütefunktional der Integralanteil L(x ~, u ~): Rⁿ × R^m → R + / 0 und die Endzustandsgewichtung V(x ~): Rⁿ → R + / 0 quadratisch gewählt mit

wobei P, Q, R positiv definite Matrizen darstellen.Preferably, in the quality functional integral part L (x ~, u ~): R ⁿ × R ^m → R + / 0 and the final state weighting V (x ~): R ⁿ → R + / 0 chosen square with

where P, Q, R represent positive definite matrices.

Nach Lösung des dynamischen Optimierungsproblems wird zum Systemzeitpunkt t_k lediglich der erste Steuersignalvektor u(t_k) = u₁ als Steuersignal an die Regelstrecke ausgegeben.After the dynamic optimization problem has been solved, at system time t _k only the first control signal vector u (t _k ) = u _{1 is} output to the controlled system as a control signal.

Dieses Optimierungsproblem wird in jedem Abtastschritt durchgeführt.This optimization problem is performed in each sampling step.

Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur modellbasierten Regelung von U-Booten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.In the following, a method according to the invention for model-based control of submarines according to a first exemplary embodiment will be described.

3 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens in mehreren Stufen bzw. Schritten dargestellt. 3 shows a basic flowchart of the control method according to the invention in several stages or steps shown.

Im Schritt 02 werden die zum aktuellen Zeitpunkt t_k gültigen Werte für den Messgrößenvektor y_k und Steuersignalvektor u_k eingelesen. Die Messgrößen entstammen wasserfahrzeugtypischen Sensoren, wie z.B. Trägheitsnavigationsanlagen, GNSS (Global Navigation Satellite System) Empfängern, Kompassen, Logs, Rotationssensoren, Tiefensensoren, oder anderen Sensoren, welche Informationen über den Zustand eines U-Bootes liefern.In step 02 the valid values for the measured variable vector y _k and the control signal vector u _{k are} read in at the current time t _k . The measured variables come from sensors typical of watercraft, such as inertial navigation systems, GNSS receivers, compasses, logs, rotation sensors, depth sensors, or other sensors that provide information about the state of a submarine.

Im Schritt 04 wird die aktuelle Struktur des Mehrgrößenproblems bestimmt, d.h. es werden die zum aktuellen Zeitpunkt t_k gültigen Abbildungen x_k+1 = f(x_k, u_k, d_k) und y_k = g(x_k) festgelegt. Dieser Schritt erlaubt es die zeitliche Veränderung der Systemdynamik von U-Booten zu berücksichtigen.In step 04 the current structure of the multivariable problem is determined, ie the maps x _{k + 1} = f (x _k , u _k , d _k ) and y _k = g (x _k ) valid at the current time t _{k are} determined. This step allows to consider the temporal change of the system dynamics of submarines.

Im Schritt 06 werden die zum aktuellen Zeitpunkt t_k gültigen Werte für den Zustandsvektor x ^(t_k) und den Störgrößenvektor d ^(t_k) aus den Messgrößen y_k und Steuergrößen u_k rekonstruiert. Dies ist notwendig, da typischerweise nicht alle Zustandsgrößen und Störgrößen gemessen werden. Im dynamischen Optimierungsproblem werden dann x(t_k) bzw. d(t_k) durch x ^(t_k) bzw. d ^(t_k) ersetzt. Die Rekonstruktion erfolgt durch einen Zustandsgrößenbeobachter unter Benutzung der in Schritt 04 bestimmten Abbildungsfunktionen f und g.In step 06 the valid values for the state vector x ^ (t _k ) and the disturbance vector d ^ (t _k ) valid at the current time t _k are reconstructed from the measured variables y _k and control variables u _k . This is necessary because typically not all state variables and disturbances are measured. In the dynamic optimization problem, x (t _k ) and d (t _k ) are replaced by x ^ (t _k ) and d ^ (t _k ), respectively. The reconstruction is performed by a state quantity observer using the step shown in FIG 04 certain mapping functions f and g.

Im Schritt 08 wird der optimale statische Arbeitspunkt (x_AP, u_AP, d ^_k) → f(x_AP, u_AP, d ^_k) = x_AP bestimmt. Aufgabe des Regelungssystemsgemäß den Ausführungsbeispielen ist es, das U-Boot an diesem Arbeitspunkt zu stabilisieren.In step 08 the optimal static operating point (x _AP , u _AP , d _k ) → f (x _AP , u _AP , d _k ) = x _{AP is} determined. The task of the control system according to the embodiments is to stabilize the submarine at this operating point.

Im Schritt 10 wird die optimale Steuersignalvektorfolge [u₁ ... u_N-1] durch Lösung des dynamischen Optimierungsproblems bestimmt.In step 10 the optimal control signal vector sequence [u ₁ ... u _N-1 ] is determined by solving the dynamic optimization problem.

Im Schritt 12 wird aus der in Schritt 10 berechneten Steuersignalvektorfolge der zum Zeitpunkt t_k gültige optimale Steuersignalvektor u_k = u₁ bestimmt und zur weiteren Verarbeitung an das U-Boot ausgegeben.In step 12 will be out of step in 10 calculated control signal vector sequence of the valid at the time point t _k optimal control signal vector u _k = u ₁ determined and output for further processing to the submarine.

Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung zur modellbasierten Regelung von U-Booten unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.In the following, a control device according to the invention for model-based control of submarines with reference to 4 described.

4 zeigt ein Blockdiagram der Regelungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses beinhaltet ein Messsystem 14 zur Messung von Eigenschaften des U-Bootes 42. Ein Detektor 16 detektiert Signale des U-Bootes 42, welche Informationen über die Zustände des U-Bootes 42 beinhalten. Der Detektor 16 und/oder das Messsystem 14 entsprechen einer Sammlung von wasserfahrzeugtypischen Sensoren, wie z.B. Trägheitsnavigationsanlagen, GNSS (Global Navigation Satellite System) Empfängern, Kompassen, Logs, Rotationssensoren, Tiefensensoren, oder anderen Sensoren, welche Informationen über den Zustand des U-Bootes 42 liefern. Eine Verbindung 18 verbindet den Detektor 16 mit dem Messsystem 14, um eine Signalübertragung vom Detektor 16 zum Messsystem 14 zu realisieren. Hier sei angemerkt, dass die Verbindung 18 und alle im Folgenden genannten Verbindungen eine Kombination von drahtgebundenen, drahtlosen oder anderen Verbindungstypen darstellen können. 4 shows a block diagram of the control device according to the present invention. This includes a measuring system 14 for measuring properties of the submarine 42 , A detector 16 detects signals from the submarine 42 which information about the states of the submarine 42 include. The detector 16 and / or the measuring system 14 correspond to a collection of typical watercraft sensors, such as inertial navigation systems, GNSS (Global Navigation Satellite System) receivers, compasses, logs, rotation sensors, depth sensors, or other sensors that provide information about the state of the submarine 42 deliver. A connection 18 connects the detector 16 with the measuring system 14 to signal transmission from the detector 16 to the measuring system 14 to realize. It should be noted that the connection 18 and all of the following connections may represent a combination of wired, wireless or other connection types.

Eine Verbindung 20 verbindet das Messsystem 14 mit einer Signalprozesseinheit 22 zur Übertragung der über das Messsystem 14 erhaltenen Informationen über das U-Boot 42. Die Signalprozesseinheit 22 beinhaltet eine zentrale Prozesseinheit oder CPU (Central Processing Unit) 24 zur Verarbeitung von Signalen geliefert vom Messsystem 14 über die Verbindung 20. Die CPU 24 kann eine Recheneinheit wie z.B. ein Mikroprozessor, ein Mehrfachprozessor oder analoger Rechner sein, ist aber nicht auf diese Beispiele beschränkt. Die Signalprozesseinheit 22 kann ferner einen maschinenlesbaren Speicher 26 aufweisen zur Speicherung von Signalen empfangen vom Messsystem 14, zur Speicherung von Zwischen- und Endresultaten der CPU 24 und zur Speicherung von Programminstruktionen für die CPU 24. Der maschinenlesbare Speicher 26 kann aus einer Kombination von optischen und elektronischen Speichermedien bestehen und darf eine Kombination aus beschreibbaren (read-write) und schreibgeschützten (read-only) Speichermedien sein.A connection 20 connects the measuring system 14 with a signal processing unit 22 for transmission via the measuring system 14 received information about the submarine 42 , The signal process unit 22 includes a central processing unit or CPU (Central Processing Unit) 24 for processing signals supplied by the measuring system 14 about the connection 20 , The CPU 24 may be an arithmetic unit such as a microprocessor, a multiple processor or analog computer, but is not limited to these examples. The signal process unit 22 may further include a machine-readable memory 26 have for storing signals received from the measuring system 14 , for storing intermediate and final results of the CPU 24 and for storing program instructions for the CPU 24 , The machine-readable memory 26 may consist of a combination of optical and electronic storage media and may be a combination of writable (read-write) and read-only storage media.

Eine Verbindung 30 verbindet die Signalprozesseinheit 22 mit einer optionalen Anzeigeeinheit 28 zur Übermittlung von Signalen zur Anzeige an der Anzeigeeinheit 28. Ferner verbindet eine Verbindung 34 die Signalprozesseinheit 22 mit einer optionalen Eingabeeinheit 32 zur Übermittlung von Signalen an die Signalprozesseinheit 22, die vom Benutzer an der Eingabeeinheit 32 eingegeben werden. Die Eingabeeinheit darf eine Kombination aus Eingabeeinheiten wie z.B. Maus, Tastatur, oder jedem anderen Gerät zur Übermittlung von Signalen oder Informationen eines Menschen an die Signalprozesseinheit 22 sein.A connection 30 connects the signal processing unit 22 with an optional display unit 28 for transmitting signals for display on the display unit 28 , It also connects a connection 34 the signal process unit 22 with an optional input unit 32 for transmitting signals to the signal processing unit 22 by the user at the input unit 32 be entered. The input unit may be a combination of input units such as mouse, keyboard, or any other device for transmitting signals or information of a human to the signal processing unit 22 be.

Eine Verbindung 38 verbindet die Signalprozesseinheit 22 mit einem Reaktionssystem 36 zur Übermittlung von Signalen oder Informationen von der Signalprozesseinheit 22 an das Reaktionssystem 36. Das Reaktionssystem 36 reagiert auf Signale empfangen von der Signalprozesseinheit 22 über die Verbindung 38, indem es eine Funktion ausführt, welche von dem durch die Signalprozesseinheit 22 berechnetem Signal abhängig ist. Die Reaktion des Reaktionssystems 36 darf den Zustand des Objektsystems 42 beeinflussen.A connection 38 connects the signal processing unit 22 with a reaction system 36 for transmitting signals or information from the signal processing unit 22 to the reaction system 36 , The reaction system 36 responds to signals received from the signal processing unit 22 about the connection 38 by performing a function of that by the signal processing unit 22 calculated signal is dependent. The reaction of the reaction system 36 allowed the state of the object system 42 influence.

Die Signalprozesseinheit 22 empfängt die Informationen des Messsystems 14 und berechnet daraus ein oder mehrere Steuersignale für das U-Boot 42 gemäß dem unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Verfahren, wobei das Einlesen aktueller Werte über das Messsystem 14 und die Verarbeitung bis zur Bestimmung der optimalen Steuergrößenfolge in der Signalprozesseinheit 22 erfolgt. Die Resultate der Signalprozesseinheit 22 werden dann an das Reaktionssystem 36 übertragen. Das Reaktionssystem 36 kann auf diese Steuersignalinformation reagieren, um den gewünschten Arbeitspunkt für das gesteuerte U-Boot 42 zu stabilisieren.The signal process unit 22 receives the information from the measuring system 14 and calculates one or more control signals for the submarine 42 according to with reference to 2 described method, wherein the reading of current values via the measuring system 14 and the processing until the determination of the optimal control variable sequence in the signal process unit 22 he follows. The results of the signal process unit 22 are then sent to the reaction system 36 transfer. The reaction system 36 can respond to this control signal information to the desired operating point for the controlled submarine 42 to stabilize.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• Jan Wedel, „Integrierte Navigationssysteme“, Oldenbourg Verlag, 2007 [0025] Jan Wedel, "Integrated Navigation Systems", Oldenbourg Verlag, 2007 [0025]
• Thor I. Fossen, „Marine Control Systems“, Marine Cybernetics, 2002 [0035] Thor I. Fossen, "Marine Control Systems", Marine Cybernetics, 2002 [0035]
• Thor I. Fossen, „Marine Control Systems“, Marine Cybernetics, 2002 [0036] Thor I. Fossen, "Marine Control Systems", Marine Cybernetics, 2002 [0036]

Claims (10)

Verfahren zur Regelung eines Zustands eines Fahrzeuges, insbesondere Unterwasserfahrzeuges, mit den Schritten: – Einlesen aktueller Werte von Steuergrößen und Messgrößen über den Zustand des Fahrzeugs (42); – Bestimmen einer aktuellen Struktur eines Mehrgrößenproblems; – Rekonstruieren von Zustandsgrößen des Fahrzeugs (42) aus den eingelesenen aktuellen Werten basierend auf der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems; – Bestimmen eines optimalen statischen Arbeitspunktes basierend auf den rekonstruierten Zustandsgrößen; – Bestimmen einer zur Stabilisierung des Arbeitspunktes optimalen Steuergrößenfolge; und – Ausgeben eines zum aktuellen Zeitpunkt gültigen Werts der Steuergröße an das Fahrzeug (42) basierend auf der optimalen Steuergrößenfolge. Method for controlling a state of a vehicle, in particular an underwater vehicle, comprising the steps of: - reading current values of control variables and measured variables about the state of the vehicle ( 42 ); Determining a current structure of a multi-size problem; - reconstructing state variables of the vehicle ( 42 ) from the read current values based on the current structure of the multivariable problem; Determining an optimal static operating point based on the reconstructed state variables; Determining an optimum control variable sequence for stabilizing the operating point; and outputting to the vehicle, at the current time, a value of the control variable ( 42 ) based on the optimal control sequence. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einlesen der aktuellen Werte in Abtastschritten durchgeführt wird und die optimale Steuergrößenfolge mit jedem Abtastschritt in Abhängigkeit neu eingelesener Werte der Steuer- und Messgrößen neu bestimmt wird.  The method of claim 1, wherein the reading of the current values in scanning steps is performed and the optimal control variable sequence is redetermined with each sampling step in response to newly read values of the control and measured variables. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bestimmen der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems ein Festlegen von zum aktuellen Zeitpunkt gültigen diskretisierten Zustandsraumdarstellungen x_k+1 = f(x_k, u_k, d_k) und y_k = g(x_k) mit einem Systemzustandsvektor x ∊ Rⁿ, einem Steuersignalvektor u ∊ R^m, einem Störsignalvektor d ∊ R^ν, einem Messsignalvektor y ∊ R^T sowie Abbildungen f(x, u, d): Rⁿ × R^m × R^v → Rⁿ und g(x): Rⁿ → R^r umfasst.The method of claim 1 or 2, wherein determining the current structure of the multi-size problem comprises setting currently valid discretized state space representations x _{k + 1} = f ( _xk , _uk , _dk ) and _yk = g ( _xk ) with a system state vector x ε R ⁿ , a control signal vector u ε R ^m , a noise vector d ε R ^ν , a measurement signal vector y ε R ^T, and maps f (x, u, d): R ⁿ × R ^m × R ^v → R ⁿ and g (x): R ⁿ → R ^r . Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Systemzustandsvektor und der Störsignalvektor aus dem Messgrößenvektor und dem Steuergrößenvektor unter Benutzung der Abbildungen rekonstruiert werden.  The method of claim 3, wherein the system state vector and the noise signal vector are reconstructed from the measurement vector vector and the control variable vector using the mappings. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei nicht gemessene Systemzustände oder Störsignale durch geschätzte Größen ersetzt werden.  Method according to one of the preceding claims, wherein non-measured system states or interference signals are replaced by estimated quantities. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Messgrößen Ausgangsgrößen von Fahrzeugsensoren umfassen.  Method according to one of the preceding claims, wherein the measured variables comprise output variables of vehicle sensors. Vorrichtung zur Regelung eines Zustands eines Fahrzeuges (42), insbesondere Unterwasserfahrzeuges, mit: – einer Eingabeeinrichtung (14) zum Einlesen aktueller Werte von Steuergrößen und Messgrößen über den Zustand des Fahrzeugs (42); – einer Signalverarbeitungseinrichtung (22) zum Bestimmen einer aktuellen Struktur eines Mehrgrößenproblems, Rekonstruieren von Zustandsgrößen des Fahrzeugs (42) aus den eingelesenen aktuellen Werten basierend auf der aktuellen Struktur des Mehrgrößenproblems, Bestimmen eines optimalen statischen Arbeitspunktes basierend auf den rekonstruierten Zustandsgrößen, und Bestimmen einer zur Stabilisierung des Arbeitspunktes optimalen Steuergrößenfolge; und – einer Reaktionseinrichtung (36) zum Ausgeben eines zum aktuellen Zeitpunkt gültigen Werts der Steuergröße für das Fahrzeug (42) basierend auf der optimalen Steuergrößenfolge. Device for controlling a state of a vehicle ( 42 ), in particular underwater vehicle, comprising: - an input device ( 14 ) for reading current values of control variables and measured variables about the state of the vehicle ( 42 ); A signal processing device ( 22 ) for determining a current structure of a multi-size problem, reconstructing state variables of the vehicle ( 42 from the read-in current values based on the current structure of the multi-size problem, determining an optimal static operating point based on the reconstructed state variables, and determining an optimal control quantity sequence for stabilizing the operating point; and - a reaction device ( 36 ) for outputting a currently valid value of the control variable for the vehicle ( 42 ) based on the optimal control sequence. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Eingabeeinrichtung ein Messsystem (14) mit Fahrzeugsensoren umfasst.Device according to claim 7, wherein the input device comprises a measuring system ( 14 ) with vehicle sensors. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Fahrzeugsensoren zumindest eines aus einer Trägheitsnavigationsanlage, einem Satellitennavigationsempfänger, einem Kompass, einem Log, einem Rotationssensor oder einem Höhen- oder Tiefensensor umfassen. The apparatus of claim 8, wherein the vehicle sensors comprise at least one of an inertial navigation system, a satellite navigation receiver, a compass, a log, a rotation sensor or a height or depth sensor. Computerprogrammprodukt mit Codemitteln zum Erzeugen der Schritte nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 bei dessen Ausführung auf einer Prozessoreinrichtung (22).Computer program product with code means for generating the steps according to at least one of claims 1 to 6 when executed on a processor device ( 22 ).

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