Title:
Vorrichtung und Verfahren zur Lagebestimmung mindestens eines Kabels
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Lage mindestens eines Kabels (6) eines kabelgebundenen Unterwasserfahrzeugs (2) mit einer Versorgungseinrichtung (8), wobei das Kabel (6) zumindest zur Übertragung von Daten oder elektrischem Strom eingerichtet ist, zumindest umfassend eine Lageerfassungseinrichtung (12) mit mindestens zwei entlang des Kabels (6) an definierten Kabellängenabschnitten (131 bis 13n) angeordneten Sensormodulen (141 bis 14n), und einer Auswerteeinheit (24) zur Bestimmung der Position und Orientierung der Sensormodule (141 bis 14n), wobei die Auswerteeinheit (24) mit einer Anzeigeeinrichtung (25) für die Lage des Kabels (6) verbunden ist. Weiter wird ein Verfahren vorgeschlagen, wobei mittels einer Lageerfassungseinrichtung (12) die Lage des Kabels (6) im Raum und bedarfsorientiert die Lage relativ zu dem Unterwasserfahrzeug (2) und auch zur Versorgungseinrichtung (8) bestimmt werden kann. embedded image




Inventors:
Marcusso Manhaes, Musa Morena (70199, Stuttgart, DE)
Voss, Martin (70499, Stuttgart, DE)
Scherer, Sebastian (72074, Tübingen, DE)
Douat, Luiz Ricardo (71229, Leonberg, DE)
Application Number:
DE102017202193A
Publication Date:
08/16/2018
Filing Date:
02/13/2017
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Thürer, Andreas, Dipl.-Phys., 97816, Lohr, DE
Claims:
Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Lage mindestens eines Kabels (6) eines kabelgebundenen Unterwasserfahrzeugs (2) mit einer Versorgungseinrichtung (8), wobei das Kabel (6) zumindest zur Übertragung von Daten oder elektrischem Strom eingerichtet ist, zumindest umfassend eine Lageerfassungseinrichtung (12) mit mindestens zwei entlang des Kabels (6) an definierten Kabellängenabschnitten (131 bis 13n) angeordneten Sensormodulen (141 bis 14n), und einer Auswerteeinheit (24) zur Bestimmung der Position und Orientierung der Sensormodule (141 bis 14n), wobei die Auswerteeinheit (24) mit einer Anzeigeeinrichtung (25) für die Lage des Kabels (6) verbunden ist.

Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, wobei Abstände (15) zwischen benachbarten Sensormodulen (141 bis 14n) in Richtung des Unterwasserfahrzeugs (2) abnehmen.

Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Sensormodule (141 bis 14n) zumindest einen Beschleunigungssensor (211 bis 21n), ein Gyroskop (221 bis 22n) und ein Magnetometer (231 bis 23n) umfassen.

Vorrichtung (1) nach einem der vorgehenden Patentansprüche, wobei die Sensormodule (141 bis 14n) ein AHR-System bilden.

Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zusätzlich eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren im Kabel (6) integriert sind.

Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Unterwasserfahrzeug (2) selbst keine Positionserkennungseinrichtung aufweist.

Verfahren zum Bestimmen der Lage mindestens eines Kabels (6) eines kabelgebundenen Unterwasserfahrzeugs (2) mit einer Versorgungseinrichtung (8), wobei entlang des Kabels (6) an definierten Kabellängenabschnitten (131 bis 13n) Sensormodule (141 bis 14n) angeordnet sind, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
a) Bestimmen der Position und Orientierung eines Sensormoduls (14i);
b) Bestimmen der Orientierung eines in Richtung zum Unterwasserfahrzeug (2) benachbarten Sensormoduls (14i+1);
c) Errechnen der Position des in Richtung zum Unterwasserfahrzeug benachbarten Sensormoduls (14i+1);
d) Wiederholen der Schritte a) bis c);
e) Anzeigen einer Lage des Kabels (6) anhand der Positionen und Orientierungen der Sensormodule (141 bis 14n).

Verfahren nach Patentanspruch 7, wobei ausgehend von einer ermittelten Position der Versorgungseinrichtung (8) entlang des Kabels (6) iterativ die Positionen der Sensormodule (141 bis 14n) und die Position des Unterwasserfahrzeugs (2) bestimmt werden.

Verfahren nach Patentanspruch 7 oder 8, wobei die Schritte a) bis e) in vorbestimmten zeitlichen Intervallen wiederholt ausgeführt werden.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage mindestens eines Kabels eines kabelgebundenen und ggf. ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugs. Das Kabel kann sich von dem Unterwasserfahrzeug bis hin zu einer Versorgungseinrichtung erstrecken, die sich auf Land oder auf dem Wasser befindet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren, mit dem die Lage eines solchen Kabels im Raum bzw. im Wasser bestimmbar ist. Insbesondere findet die Erfindung Anwendung bei Unterwasserrobotern (Remotely Operated Vehicles, ROVs), also Unterwasserfahrzeugen mit Manipulatoren, die ferngesteuert Reparatur- und/oder Wartungsaufgaben durchführen können.

Für den Betrieb wesentliche Daten, elektrischer Strom und dergleichen können bei einem Unterwasserroboter über ein sogenanntes „Umbilical“-Kabel oder einen so genannten „Tefhef“ ausgehend von einem Unterstützungsschiff an der Meeresoberfläche übermittelt werden. Ein solches Kabel kann an der Oberseite oder Rückseite eines ROVs angebracht sein, damit es mit einem bevorzugt im vorderen Bereich des ROVs angebrachten Manipulator und/oder Sensor und/oder Scheinwerfer nicht kollidiert. Das ist allerdings gleichzeitig ein Problem, weil die ROV-Bediener das Kabel in der Regel nicht sehen können und stets eine gewisse Unsicherheit darüber besteht, wo es sich im Raum befindet und ob es möglicherweise an Unterwasserstrukturen reibt oder sich umwickelt.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die die genannten Nachteile lindern oder sogar vermeiden. Insbesondere soll auf einfache Weise die Lage des Kabels im Raum unter Wasser bestimmt werden können. Außerdem soll das Verfahren die Messung der Position des Unterwasserfahrzeugs auf einfache Weise verbessern.

Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung anführen, die mit den Merkmalen aus den Patentansprüchen kombinierbar sind.

Hierzu trägt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage mindestens eines Kabels eines kabelgebundenen Unterwasserfahrzeugs mit einer Versorgungseinrichtung bei, wobei das Kabel zumindest zur Übertragung von Daten oder elektrischem Strom eingerichtet ist, umfassend zumindest

  • - eine Lageerfassungseinrichtung mit
  • - mindestens zwei entlang des Kabels an definierten Kabellängenabschnitten angeordneten Sensormodulen, und
  • - eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Position und der Orientierung der Sensormodule,
  • - wobei die Auswerteeinheit mit einer Anzeigeeinrichtung für die Lage des Kabels verbunden ist.

Bei dem Unterwasserfahrzeug handelt es sich insbesondere um eines der eingangs genannten Art. Es kann ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug für Anwendungen in Wissenschaft und Industrie sein. Derartige ROVs können für Montage-, Wartungs- und Inspektionsarbeiten an Ölführenden und/oder Gasführenden Apparaturen im Offshore Bereich eingesetzt werden. ROVs können insbesondere mit einer Kabelverbindung zur Energie- und Informationsübertragung an ein Überwasserschiff angeschlossen sein. Ein Unterwasserfahrzeug kann mit einem Manipulator ausgeführt sein, wobei dieser eine Art Roboter sein kann, der mit einem Endeffektor ausgestattet ist, bspw. einem Werkzeug, einem Greifarm, einem Schweißgerät, Sensorträger oder dergleichen. Das Unterwasserfahrzeug kann ein Antriebsaggregat für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs aufweisen. Es ist möglich, dass ein am Unterwasserfahrzeug vorgesehener Manipulator ein zusätzliches Antriebsaggregat hat, mit dem die Bewegung des Manipulators unabhängig oder abgestimmt zum Fahrbetrieb des Fahrzeugs gesteuert werden kann. Die Antriebsaggregate umfassen bevorzugt elektrische und/oder hydraulische Antriebe. Das Unterwasserfahrzeug kann zudem zumindest noch mit einem Sensor, einer Lichtquelle, einer Steuereinrichtung, einem Bord-Netzwerk und ähnlichem ausgestattet sein. Dabei werden die elektrisch betriebenen Komponenten des Unterwasserfahrzeugs über ein Kabel zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise mit Strom versorgt und/oder Daten (für deren Betrieb und/oder Messwertanalysen) darüber ausgetauscht. Das Kabel erstreckt sich dabei größtenteils unter Wasser bis hin zum Unterwasserfahrzeug, wobei es insbesondere am anderen Ende außerhalb des Wassers an der Versorgungseinrichtung befestigt ist. Die Versorgungseinrichtung kann eine ortsfest installierte Einrichtung sein (wie z. B. eine Bohrinsel, eine Küstenstation oder dergleichen) oder eine auf der Wasseroberfläche bewegliche Schwimmbasis sein (wie z. B. ein Schiff oder dergleichen).

Die Lageerfassungseinrichtung umfasst insbesondere die Komponenten Sensormodule, Auswerteeinheit und Anzeigeeinrichtung, wobei die Sensormodule an dem Kabel anordenbar sind und die Auswerteeinheit wenigstens teilweise der Versorgungseinrichtung und/oder dem Unterwasserfahrzeug zuordenbar ist. Die Anzeigevorrichtung kann bevorzugt bei der Versorgungseinrichtung vorgesehen sein, es ist jedoch (zusätzlich oder alternativ) auch möglich, dass die Anzeigevorrichtung an einem von Unterwasserfahrzeug und Versorgungseinrichtung verschiedenen Ort vorgesehen ist, z. B. wenn die Daten der Auswerteeinheit über ein Netzwerk und/oder eine Cloud einer Anzeigevorrichtung zugeführt werden können.

An dem Kabel können an definierten Kabellängenabschnitten Sensormodule angebracht sein. Das heißt mit anderen Worten insbesondere, dass entlang des Kabels mit einem vorgegebenen Abstand Sensormodule fixiert sind. Die Kabellängenabschnitte bzw. Abstände sind bekannt und beispielsweise als Kennwerte in der Auswerteeinheit gespeichert. Die Anzahl der Sensormodule ist unter Berücksichtigung der Gesamtlänge des Kabels bzw. der gewünschten Genauigkeit der Lageerfassung des Kabels im Wasser auszuwählen, wobei zumeist eine Vielzahl von Sensormodulen vorgesehen ist.

Die Auswerteeinheit kann Teil einer Recheneinrichtung oder Datenverarbeitungsanlage sein. Die Auswerteeinheit kann mit allen Sensormodulen (zumindest zeitweise) datenleitend verbunden sein und die von den Sensormodulen erzeugten Daten erfassen sowie ggf. speichern und/oder verarbeiten. Die Auswerteeinheit ist insbesondere so eingerichtet, dass diese aus den Daten der Sensormodule die Lage der Sensormodule und damit des jeweiligen Kabellängenabschnitts ermitteln kann.

Die Auswerteeinheit kann zudem eingerichtet sein, die ermittelten Lageinformationen an eine Anzeigevorrichtung zu überführen. Die Anzeigevorrichtung kann einen Monitor umfassen, auf dem die Lage bzw. der Verlauf des Kabels unter Wasser visualisierbar ist.

Mit der hier aufgezeigten Vorrichtung wird auf vorteilhafte Weise die Lage des Kabels im Raum bzw. unter Wasser bestimmt, insbesondere auch relativ zum ROV und/oder zur Versorgungseinrichtung. Die so bestimmte Lage des Kabels kann auf verschiedene Arten genutzt werden. Dem ROV-Bediener kann Lage des Kabels in Verbindung mit der Position des ROVs und idealerweise erkannter Hindernisse in einer Anzeige eingeblendet werden. Die so bestimmte Lage des Umbilical-Kabels kann in Verbindung mit einer über Global Positioning System (GPS) bekannten Position eines Unterstützungsschiffs verwendet werden, um die Position des ROVs zu bestimmen bzw. eine zuvor driftende Schätzung (z. B. über Inertialnavigation allein oder Inertialnavigation und Geschwindigkeitsmessungen via Doppler Velocity Log) zu verbessern.

Bei der Anordnung der Sensormodule an dem Kabel ist bevorzugt, dass die Abstände zwischen benachbarten Sensormodulen in Richtung des Unterwasserfahrzeugs abnehmen. In der Nähe des Unterwasserfahrzeugs ist unter Umständen mit Hindernissen in der Umgebung und/oder einer stärker gekrümmten Lage des Kabels zu rechnen. Eine zueinander dichtere Anordnung der Sensormodule nahe des Unterwasserfahrzeugs verbessert die Genauigkeit der Lageerfassung in dieser Umgebung. Es ist möglich, dass zumindest die Abstände zwischen einer Mehrzahl von Sensormodulen gegenüber den anderen Sensormodulen reduziert sind. Die Änderung des Abstands kann zumindest teilweise hinsichtlich (aller) benachbarten Sensormodule vorgenommen werden. Es ist alternativ oder kumulativ auch möglich, dass eine Änderung des Abstands für mehrere aufeinanderfolgende Sensormodule konstant ist und erst danach wieder vorgesehen ist.

Bevorzugt umfassen die Sensormodule (jeweils) zumindest einen Beschleunigungssensor, ein Gyroskop und ein Magnetometer. Die genannten Sensoren sind insbesondre so ausgestaltet, dass diese für drei Achsen jeweils Drehung, Beschleunigung und Lage (relativ zum Magnetfeld) erfassen können. Es können mehrere Beschleunigungssensoren, Gyroskope und Magnetometer vorgesehen sein, beispielsweise für jede Raumachse jeweils ein Beschleunigungssensor, ein Gyroskop und ein Magnetometer. Die Sensormodule können (jeweils) mit einer Recheneinheit ausgeführt sein, die eingerichtet ist, Messwerte des Beschleunigungssensors, des Gyroskops und des Magnetometers zu verarbeiten und damit eine Orientierung des Sensormoduls im Raum bzw. unter Wasser zu bestimmen bzw. zu errechnen. Bevorzugt sind die Sensormodule eingerichtet, für die aktuelle Orientierung des Sensormoduls repräsentative Daten an die Auswerteeinheit zu übergeben.

Mit Vorteil wird zur Bestimmung der Position und der Lage der Sensormodule das AHR-System herangezogen. Demnach kann das Sensormodul nach einem so genannten Attitude Heading Reference System eingerichtet sein, also insbesondere als ein Messsystem zur Bestimmung von Roll-Nick-Gier-Winkeländerungen, Beschleunigungen und Richtung. Dabei werden bevorzugt die Rohwerte bzw. Signale der Sensoren bereits vorverarbeitet (z.B. mittels Kalman-Filtern) und über eine automatisiert abfragbare Schnittstelle bereitgestellt.

Zusätzlich kann eine Mehrzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-Sensor) im Kabel (ortsfest) integriert sein. Mittels der FBG-Sensoren kann eine Verbesserung der Lageerfassung erreicht werden, weil damit die Dehnung des Kabels an verschiedenen Seiten erfassbar ist. Damit können ergänzende oder präzisierende Informationen zur Krümmung des Kabels und/oder den Abstand der Sensormodule zueinander gewonnen werden. Die FBG-Sensoren sind hierzu zweckmäßigerweise mit der Auswerteeinheit datenleitend verbunden.

Es ist möglich, dass das Unterwasserfahrzeug selbst keine Positionserkennungseinrichtung aufweist. Das heißt mit anderen Worten insbesondere, dass die Position des Unterwasserfahrzeugs allein über die Sensormodule entlang des Kabels bestimmbar ist. Insoweit kann bei dem Unterwasserfahrzeug auf Positionserkennungseinrichtung, wie beispielsweise Wasserschallbasierte Einrichtungen nach USBL (Ultra Short Baseline), SSBL (Super Short Baseline) oder LBL (Long Baseline), verzichtet werden.

Weitere Details der Vorrichtung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Erläuterung zu dem Verfahren. Insbesondere können die Erläuterungen zu dem Verfahren hier ergänzend herangezogen werden. Ebenso gilt, dass die vorstehenden Erläuterungen zur Vorrichtung die Beschreibung des Verfahrens ergänzen können.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen der Lage mindestens eines Kabels eines kabelgebundenen Unterwasserfahrzeugs mit einer Versorgungseinrichtung vorgeschlagen, wobei entlang des Kabels an definierten Kabellängenabschnitten Sensormodule angeordnet sind, umfassend zumindest die folgenden Schritte:

  1. a) Bestimmen der Position und Orientierung eines Sensormoduls;
  2. b) Bestimmen der Orientierung eines in Richtung zum Unterwasserfahrzeug benachbarten Sensormoduls;
  3. c) Errechnen der Position des in Richtung zum Unterwasserfahrzeug benachbarten Sensormoduls;
  4. d) Wiederholen der Schritte a) bis c);
  5. e) Anzeigen der Lage des Kabels anhand der Positionen und Orientierungen der Sensormodule.

Die Schritte a) bis c) werden bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt, wobei gleichwohl die Schritte zumindest teilweise zeitlich überlagert werden können. Ebenso kann der Schritt e) zumindest teilweise zeitlich überlagert und/oder separat zu den Schritten a) bis d) durchgeführt werden.

Gemäß Schritt a) wird von einer vorbekannten oder zuvor berechneten Position und Orientierung eines (ersten) Sensormoduls ausgegangen. Für dieses Sensormodul wird demnach die Lage im Raum bzw. unter Wasser ermittelt. Zudem wird die Orientierung des hin in Richtung zum Unterwasserfahrzeug benachbart angeordneten (zweiten bzw. weiteren) Sensormoduls ermittelt (Schritt b)). Die Orientierung kann sensorisch ermittelt und beispielsweise von dem Sensormodul selbst bereitgestellt werden. Mit diesen Informationen kann dann insbesondere in Kenntnis bzw. unter Berücksichtigung der vorgegebenen Abstände der hier betrachteten Sensormodule bzw. Kabellängenabschnitte zueinander auch die Position des benachbarten Sensormoduls errechnet (Schritt c)). Dann kann dieser Vorgang entsprechend Schritt d) wiederholt werden, wobei nun insbesondere von dem zuletzt betrachteten (zweiten bzw. weiteren) Sensormodul in Schritt a) ausgegangen wird. Schritt d) kann insbesondere so oft wiederholt werden, bis für alle Sensormodule Position und Orientierung bestimmt wurden. Die so ermittelten Positionen und Orientierungen der Sensormodule bzw. Kabellängenabschnitte repräsentieren damit aktuelle Lageabschnitte des Kabels im Raum bzw. unter Wasser. Dies ermöglicht, dass die Lage des Kabels angezeigt bzw. visualisiert werden kann.

Vorzugsweise wird ausgehend von der Position der Versorgungseinrichtung entlang des Kabels iterativ bzw. rekursiv die Position aller Sensormodule und die Position des Unterwasserfahrzeugs bestimmt. Die Position der Versorgungseinrichtung kann ortsfest und damit unveränderlich bekannt sein. Es ist möglich, dass die Versorgungseinrichtung beweglich ist bzw. bewegt wird und deren Position und ggf. auch Orientierung messtechnisch erfasst wird. Die Ermittlung der Position der Versorgungseinrichtung kann in diesem Fall mittels GPS erfolgen. Als Teil der Versorgungseinrichtung ist ggf. auch ein Bezugspunkt festlegbar, der an bzw. in definierter Relativlage zu einem vorbekannten Kabellängenabschnitt steht. Mittels der (über Wasser liegenden und damit messtechnisch einfach ermittelbaren) Position der Versorgungseinrichtung bzw. dieses „Bezugspunkts“ kann das Verfahren der hier vorgeschlagenen Art initiiert werden, so dass ausgehen von dieser Position Lage und Orientierung des ersten Sensormoduls (unter Wasser) bestimmbar ist. Die aktuelle Position des Unterwasserfahrzeugs kann zudem in Kenntnis bzw. unter Berücksichtigung des vorgegebenen Abstandes des letzten Sensormodules bzw. Kabellängenabschnitts hin zum Unterwasserfahrzeug errechnet und ggf. angezeigt werden. Es ist möglich, dass hierfür auch das Unterwasserfahrzeug selbst ein (bzw. das letzte) Sensormodul aufweist.

Auf diese Weise wird die mit der hier vorgeschlagenen Methode bestimmte Lage des Kabels im Raum bzw. unter Wasser in Verbindung mit der bekannten Position der Versorgungseinrichtung zur Bestimmung der Position des Unterwasserfahrzeugs herangezogen. Weitere Sachverhalte ergeben sich aus den Erläuterungen zu einer beispielhaften Berechnungsmethode, die im Zusammenhang mit 3 unten gegeben wird.

Bevorzugt werden die Schritte a) bis e) in vorbestimmten zeitlichen Intervallen wiederholt ausgeführt. Bevorzugt wird das Verfahren mit einer Frequenz von zumindest 1 Hz [Herz] durchgeführt. Ganz besonders bevorzugt wird das Verfahren mit einer Frequenz von zumindest 10 Hz initiiert.

Das hier beschriebene Verfahren lässt sich bevorzugt mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung durchführen. Ebenso kann die vorgeschlagene Vorrichtung so eingerichtet sein, dass diese das hier beschriebene Verfahren durchführen kann.

Das beschriebene Verfahrens kann mittels eines entsprechendes Computerprogramm realisiert sein. Dieses Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert sein.

Bei der hier aufgezeigten Vorrichtung und/oder Methode ist ein Versorgungskabel für das Unterwasserfahrzeug mit Positionssensoren versehen. Dadurch kann die Position des Kabels ausreichend genau bestimmt werden, so dass eine Beschädigung des Kabels beim Betrieb des Unterwasserfahrzeugs vermieden werden kann. Außerdem kann auch die Genauigkeit einer Messung der Fahrzeugposition durch die zusätzlich zum Kabel verfügbaren Sensoren verbessert werden.

Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Darstellungen sind schematisch und nicht zur Veranschaulichung von Größenverhältnissen vorgesehen. Die mit Bezug auf einzelne Details einer Figur angeführten Erläuterungen sind extrahierbar und mit Sachverhalten aus anderen Figuren oder der vorstehenden Beschreibung frei kombinierbar, es sei denn, dass sich für einen Fachmann zwingend etwas anderes ergibt bzw. eine solche Kombination hier explizit untersagt wird. Es zeigen:

  • 1: ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug mit einem Manipulator, das über ein Kabel mit einem Unterstützungsschiff an der Meeresoberfläche verbunden ist,
  • 2: Blockschaltbild mit einer Auswerteeinheit, an die ein Sensormodul mit drei Sensoren sowie eine Anzeigeeinrichtung und ein GPS-Sensor angeschlossen sind; und
  • 3: geometrische Darstellung der rekursiven Berechnung der Positionen der Sensormodule.

Nach 1 ist ein kabelgebundenes und ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug 2 (ROV) mit einem Manipulator 3 vorhanden, wobei das Unterwasserfahrzeug 2 einen Fahrzeugantrieb 4 und der Manipulator 3 einen Manipulatorantrieb 5 aufweist. Das Unterwasserfahrzeug 2 ist über ein Kabel 6 mit einer schwimmenden Master-Steuerungs-Station 7 verbunden, die auf einer Versorgungseinrichtung 8, z. B. einem Unterstützungsschiff, an der Meeresoberfläche 9 installiert ist. Das Unterwasserfahrzeug 2 ist mit der Kabelverbindung zur Energie- und Informationsübertragung an die Master-Steuerungs-Station 7 angeschlossen.

An dem Unterwasserfahrzeug 2 ist als Manipulator 3 ein Roboter mit einem Endeffektor 10 angebracht. Mit dem steuerbaren Endeffektor 10, der als Werkzeug, Greifarm, Schweißgerät, Sensorträger oder dergleichen ausgebildet sein kann, können bspw. Montage-, Wartungs- oder Inspektionsarbeiten durchgeführt werden. Der Fahrzeugantrieb 4 und der Manipulatorantrieb 5 umfassen (nicht dargestellte) steuerbare Elektromotoren und/oder hydraulische Antriebssysteme.

Der in 1 dargestellte Aufbau beim Einsatz eines ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugs 2 (ROV) besteht aus dem Einsatzschiff, welches die Versorgungseinrichtung 8 bildet, dem Kabel 6 (Umbilical) und an dessen Ende schließlich dem Unterwasserfahrzeug 2. Hierbei ist bei dem Einsatzschiff eine Anzeigeeinrichtung 25 für einen Bediener des Unterwasserfahrzeugs 2 vorgesehen, die die aktuelle Lage des Kabels 6 im Wasser veranschaulichen kann. Das Kabel 6 wird von einer Winde 11 abgerollt. Über das Kabel 6 kann der Betrieb des Unterwasserfahrzeugs 2 gesteuert werden. Es ist möglich, dass am Einsatzschiff bzw. definiert zur Position der Winde 11 ein GPS-Positionsgeber installiert ist, so dass ein fest vorgegebener Bezugspunkt für das Kabel sicher bestimmbar ist.

Am Kabel 6 sind (unter der Meeresoberfläche 9) an definierten Kabellängenabschnitten 131 bis 13n eine Vielzahl Sensormodule 141 bis 14n aus 3D- bzw. 3-achsigen Beschleunigungssensor, Gyroskop und Magnetometer angebracht. Die Kabellängenabschnitte 13 sind an vordefinierten und bezüglich des Kabels 6 unveränderlichen Bereichen angeordnet. Zwischen den Kabellängenabschnitten 13 ist daher der Abstand 15 stets bekannt. Da in der Nähe des sich bewegenden Unterwasserfahrzeugs 2 Verwindungen des Kabels 6 mit höherer Krümmung zu erwarten sind als in der Nähe des an der Meeresoberfläche 9 stationären Unterstützungsschiffs, sind die Sensormodule 141 bis 14n näher am Unterwasserfahrzeug 2 in kürzeren Abständen 15 zueinander angebracht. Mit 28 ist ein angenommener Kreisbogenabschnitt bezeichnet, der näherungsweise den Verlauf des Kabels 6 zwischen benachbarten Sensormodulen 141 und 142 repräsentiert. Zur Berechnung dieses Verlaufs wird auf die Erläuterungen zu 3 verwiesen.

2 zeigt exemplarisch ein Blockschaltbild mit einer elektronischen Auswerteeinheit 24, an die am Beispiel für ein Sensormodul 141 drei Sensoren sowie eine Anzeigeeinrichtung 25, z. B. ein Bildschirm, angeschlossen sind. Das Sensormodul 141 umfasst einen oder mehrere Beschleunigungssensoren 211, ein oder mehrere Gyroskope 221 und ein oder mehrere Magnetometer 231. Jedes Sensormodul 141 bis 14n (siehe 1) kann jeweils die vorgenannten drei Sensoren 21, 22, 23 aufweisen. Alle Sensormodule 141 bis 14n, die Anzeigeeinrichtung 25 und ein GPS-Sensor 26 für die Bestimmung eines Bezugspunktes über Wasser sind durch datenleitende Verbindungen 27 an die Auswerteeinheit 24 angeschlossen.

3 veranschaulicht beispielhaft die Berechnung der Positionen 19 pi und pi+1 von zwei aufeinanderfolgenden, entlang des Kabels 6 an dem definierten Kabellängenabschnitten 13 angeordneten Sensormodulen 14. Die veranschaulichte rekursive Bestimmung der Positionen 19 der Sensormodule 14 erfolgt unter der Annahme, dass die Form bzw. Lage des Kabels 6 durch eine Aneinanderreihung von Kreisbogenabschnitten 28 beschrieben werden kann.

Gegeben sind für jedes Sensormodul die normierten ersten Richtungsvektoren 16 entlang des Kabels 6xi,xi+13 mit |xi|=|xi+1|=1embedded image(aus der Orientierungsschätzung des Inertialsensors bzw. des Sensormoduls 14), die Kreisbogenabschnittslänge des Kabels 6 zwischen beiden Paketen b ∈ ℝ (entsprechend des vordefinierten Abstands 15 bzw. b der benachbarten Sensormodule 14 bzw. Kabellängenabschnitte 13 zueinander) und die Position 19 des aktuellen (bekannten bzw. ersten) Sensormoduls pi ∈ ℝ3 bezüglich eines Referenzkoordinatensystems. Gesucht ist damit die Position 19 des in Richtung hin zum Unterwasserfahrzeug 2 benachbarten, darauffolgenden Sensormoduls 14 pi+1 ∈ ℝ3.

Wie auch aus 3 ist ersichtlich, gilt: pi+1=pi+ryiryi+1,embedded imagewobei der Radius 17 (r) berechnet werden kann über r=baembedded imageund der Winkel 29 (α) am Mittelpunkt 18 (M) über Skalarprodukt α=cos1xi°xi+1|xi||xi+1|.embedded image

Zur Berechnung der normierten zweiten Richtungsvektoren 20 (yi und yi+1), die parallel zur durch xi und xi+1 aufgespannten Ebene liegen, kann zunächst eine gemeinsame Normale zt: zi=(xi×xi+1)0embedded imagebestimmt werden. Daraus folgt schließlich: yi=(xi×zi)0embedded imageyi+1=(xi+1×zi)0,embedded imagewobei der Exponent 0 für Vektoren hier die Kurzschreibweise für die Normierung eines Vektors darstellen soll: x0=x|x|embedded image

Hierbei ist ggf. für Sonderfälle folgendes zu berücksichtigen:

  1. 1) xi = xi+1:
    • In diesem Fall sind die gemeinsame Normale zi und Radius r nicht definiert. Die Berechnung der Folgeposition ist aber trivial: pi+1 = pi + b xi
  2. 2) xi = -xi+1:
    • Die Folgeposition ist nicht definiert und kann nicht eindeutig berechnet werden. Alle potentiellen Folgepositionen liegen auf einem Kreis mit Radius bπembedded imageum xi. Dieser Fall kann durch eine dichtere Anordnung von Sensormodulen verhindert werden. Falls er dennoch auftritt, kann zur Auflösung der Unbestimmtheit von xi+1 entweder auf vorherige Werte zurückgegriffen werden oder durch die Wahl von xi+1 = xi der maximale Fehler auf höchstens bπembedded imagebegrenzt werden.

Bezugszeichenliste

1
Vorrichtung
2
Unterwasserfahrzeug
3
Manipulator
4
Fahrzeugantrieb
5
Manipulatorantrieb
6
Kabel
7
Master-Steuerungs-Station
8
Versorgungseinrichtung
9
Meeresoberfläche
10
Endeffektor
11
Winde
12
Lageerfassungseinrichtung
131 bis 13n
Kabellängenabschnitt
141 bis 14n
Sensormodul
15
Abstand (b)
16
erster Richtungsvektor (x)
17
Radius (r)
18
Mittelpunkt (M)
19
Position (p)
20
zweiter Richtungsvektor (y)
211 bis 21n
Beschleunigungssensor
221 bis 22n
Gyroskop
231 bis 23n
Magnetometer
24
Auswerteeinheit
25
Anzeigeeinrichtung
26
GPS-Sensor
27
datenleitende Verbindung
28
Kreisbogenabschnitt
29
Winkel