DE2436641B2

DE2436641B2 - Objektverfolgungssystem

Info

Publication number: DE2436641B2
Application number: DE2436641A
Authority: DE
Inventors: Jack Grand Rapids Mich. Kuipers (V.St.A.)
Original assignee: Polhemus Navigation Sciences Inc Burlington Vt (vsta)
Current assignee: Polhemus Navigation Sciences Inc Burlington Vt (vsta)
Priority date: 1973-07-30
Filing date: 1974-07-30
Publication date: 1979-04-19
Also published as: DE2436641C3; IT1017347B; FR2239690B1; JPS6321157B2; SE396145B; IL45177A0; IL45177A; DE2436641A1; US3868565A; GB1465134A; FR2239690A1; CA1045703A; JPS5045667A; SE7409509L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Objektverfolgungssystem, mit Mitteln zum Ausstrahlen eines gerichteten magnetischen Feldes, mit am Objekt befindlichen Mitteln zum Abtasten des Feldes und mit Mitteln zur Ableitung der Fehlausrichtung des Feldes gegenüber den Abtastmitteln aus einem Fehlersignal, wobei die Ausstrahl- und Abtastmitiel aus orthogonal zueinander angeordneten Spulen bestehen.

Die Verwendung von orthogonal zueinander ausgerichteten Spulen zur Erzeugung und Abtastung magnetischer Felder ist bekannt. Derartige Anordnungen werden vor allem auf dem Gebiet der Vermessung magnetischer Felder verwendet, um z. B. ein besseres Verständnis ihrer Eigenschaften zu gewinnen. Wenn ein magnetisches Feld um eine das Feld erzeugende Spule durch Verwendung von Abtastspulen sehr genau vermessen werden kann, so ist umgekehrt offensichtlich, daß es möglich sein muß, die Lage von Abtastspulen relativ zu den das Feld erzeugenden Spulen auf der Grundlage des Abtastsignals festzulegen. Das dabei auftauchende Problem besteht jedoch darin, daß es mehr als eine Lage und/oder Orientierung innerhalb eines üblichen magnetischen Dipolfeldes gibt, weiche die gleichen charakteristischen Abtastsignale in einer Abtastspule hervorrufen. Um ein magnetisches Feld zu diesem Zweck verwenden zu können, müssen daher zusätzliche Informationen geschaffen werden.

In der US-PS 36 44 825 ist eine Möglichkeit beschrieben, zu liiesem Zweck zusätzliche Informationen zu gewinnen, und zwar dadurch, daß die das Feld erzeugenden Spulen und die Abtastspulen gegeneinander bewegt werden. Die Bewegung der Spulen erzeugt Veränderungen im magnetischen Feld, und die sich daraus ergebenden Signale lassen sich verwenden, um die Bewegungsrichtung oder die relative Lage der felderzeugenden Spulen und AbtastspuJen zu bestimmen. Obwohl diese bekannte Lösung der Lagebestimmung auf der Basis des abgetasteten Feldes einiges ihrer Doppeldeutigkeit nimmt, ist die Genauigkeit der Bestimmung abhängig von der Relativbewegung und kann ohne die Relativbewegung überhaupt nicht verwendet werden.

Eine weitere bekannte Anordnung, um die benötigte zusätzliche Information zu erhalten, betrifft die Rotation des magnetischen Feldes, wie es von Kaimus in »A New Guiding and Tracking System«, IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics, Man: 1962, Seiten 7 bis 10 beschrieben ist. Einen ähnlichen Stand der Technik gibt die US-PS 31 21 228. Um die Entfernung zwischen der felderzeugenden Spule und der Abtastspule genau zu bestimmen, erfordert diese bekannte Lösung, daß die relative Lage der Spulen zueinander gleichbleibt. Das System kann daher nicht dazu verwendet werden, um sowohl die relative Translation als auch die relative Orientierung der felderzeugenden Spulen und der Abtastspulen zu bestimmen.

Obwohl die einschlägige Technik zur Lagebestimmung und Objektverfolgung entfernter Objekte hoch entwickelt ist, besteht immer noch ein Bedürfnis für eine Methode, die relative Winkelorientierung eines entfernten Objektes zusätzlich zur Lagebestimmung oder Aufspürung des Objektes zu bestimmen. Weiterhin besteht ein Bedürfnis für ein System, das mit Signalen arbeitet, die von einer einzigen Abtastanordnung abgetastet werden, wobei die Signale von einem Nutationsfeld stammen, das von einer einzigen Anordnung erzeugt worden ist, und das in der Lage ist, neben einer andauernden Lagebestimmung oder Verfolgung des entfernten Objektes und Abtasters zusätzlich und gleichzeitig eine kontinuierliche Bestimmung der relativen winkelmäßigen Orientierung des entfernten Objektes und Abtasters vorzunehmen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein System zu schaffen, mit dem sowohl die relative Translation bzw. Verschiebung als auch die relative winkelmäßige Orientierung des entfernten Objektes durch Verwendung eines Vektorfeldes kontinuierlich bestimmt werden können.

Die erfindungSigemäße Lösung besteht darin, ein Objektverfolgungüsystem der angegebenen Art so auszubilden, daß das Feld ein Nutationsfeld mit einer mit dem Richtungsvektor des Feldes zusammenfallen-

den Nutationsachse ist

Weiterbildende Merkmale des erfindungsgemäßen Systems sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen System ist es möglich, die Lage eines Objektes relativ zu einem Bezugskoordinatensystem von Mittein zur Erzeugung eines Vektorfeldes präzise zu bestimmen.

Mit dem erfindungsgemäßen System wird in vorteilhafter Weise eine wirksame Signalubermktlungstechnik geschaffen, mit der die Messung der relativen Verschiebung bzw. Translation eines entfernten Objektes (zwei Winkel) zusätzlich zur gleichzeitigen Messung der relativen winkelmäßigen Orientierung des entfernten Objektes (drei Winkel) möglich ist Das erfindungsgemäße Objekiverfolgungssystem schafft somit die Möglichkeit, fünf unabhängige Winkelmessungen unter Verwendung nur einer Anordnung zur Felderzeugung und nur einer Anordnung zur Feldabtastung auf dem entfernten bewegten Objekt durchzuführen.

Die oben angeführten und miteinander in Verbindung stehenden Vorteile lassen sich durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems erreichen, das nachstehend näher beschrieben werden soll. Die Erfindung basiert auf der Überlegung, daß die einzigen Stellen in einem Dipol-Nutationsfeld, an denen die Feldstärke in ihrer Größe unveränderlich bleibt, auf der Nutationsachse liegen, die hier mit dem Richtungsvektor des Feldes zusammenfällt Dieses Phänomen erlaubt eine sehr genaue Lagebestimmung oder Verfolgung eines entfernten Objektes, das nicht nur seinen Ort, sondern auch seine winkelmäßige Orientierung ändert.

Wenn das System nur zur Lagebestimmung des Objektes benutzt werden soll, z. B. für kleine Störungen beim Richtungswinkel, sind Mittel zur Erzeugung eines Signals vorgesehen, das auf dem abgetasteten Feld J5 basiert und die Lage des Objektes angibt. Wenn das System zur Objeklverfolgung verwendet wird, so werden signalerzeugende Mittel zwischen der Abtastanordnung und der felderzeugenden Anordnung eingeschaltet, die ein auf dem abgetasteten Feld basierendes Signal an die felderzeugende Anordnung abgeben, um den Richtungsvektor des Nutationsfeldes auf die Abtastanordnung auszurichten bzw. nachzuführen.

Das erfindungsgemäße System soll im folgenden an Hand der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 die Geometrie einer einfachen Koordinatentransformation, die als Rotation bezeichnet wird,

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines einzelnen Rotations-Operators, eines sogenannten Resolvers, für eine Rotation nach Fig. 1,

F i g. 3 eine Schaltungsanordnung für ein zweidimensionales magnetisches Nutationsfeld mit einer Rotationsfreiheit von 360° in einer Ebene, «

F i g. 4a die Definition der Richtungswinkel für eine dreidimensionale Ausrichtung,

Fig.4b eine Schaltungsanordnung, die den Richtungswinkeln nach F i g. 4a entspricht,

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines bekannten Systems zur Erzeugung und Abtastung eines magnetischen Feldes,

Fig.6 eine Darstellung der bei dem System nach F i g. 5 abgetasteten Signale,

F i g. 7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung der Lage und Orientierung eines Objektes, das sich in einem zweidimensionalen Raum bewegt,

F i g. 8 eine Darstellung der beim erfindungsgemäßen System nach F i g. 7 abgetasteten Signale.

Fig.9 eine Darstellung eines vereinfachten zweidimensionalen Systems, wobei sowohS die felderzeugende Anordnung als auch die Abtastanordnung jeweils zwei Spulen aufweisen,

F i g. 10 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung der Lage und Orientierung eines Objektes, das sich im zweidimensionalen Raum frei bewegt und in

F i g. 11 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems, mit dem sich die Lage oder Richtung und die relative winkelmäßige Orientierung eines Objektes bestimmen lassen, das sich im dreidimensionalen Raum mit bestimmten Einschränkungen bewegen kann.

Das erfindungsgemäße System zur Erzeugung eines gerichteten, magnetischen Nutationsfeldes längs eines Richtungsvektors weist mindestens zwei orthogonal zueinander angeordnete Spulen auf, durch welche felderzeugende Ströme geschickt werden. Der felderzeugende Strom weist normalerweise eine bestimmte Trägerfrequenz; auf, die mit einem Gleichstromsignal und/oder einem Wechselstromsignal moduliert ist. Diese Modulationsumhüllenden werden nachfolgend nur als Gleichstrom- oder Wechselstromsignal bezeichnet. Das Wechselstromsignal hat die Nutationsfrequenz. Die Schaltungsanordnung zur Lieferung eines Gleichstromes durch eine der Spulen und eines Wechselstroms durch wenigstens eine weitere, orthogonal angeordnete Spule erzeugt ein magnetisches Nutationsfeld, dessen Richtungsvektor in der Richtung der Achse der vom Gleichstrom durchflossenen Spule liegt, oder besser ausgedrückt, in der Richtung der Achse des Gleichstromfeldes. Die Amplitude der Nutation hängt von der relativen Amplitude des Wechselstromsignals und des Gleichstromsignals ab, die in den meisten Fällen mit gleicher Amplitude gewählt werden. Wenn das Objekt sich nur in zwei Dimensionen bewegen kann, braucht die Nutation nur ein einfaches Hin- und Herkippen in der Bewegungsebene zu sein. Dies kann durch ein Gleichstromsignal in einer der Spulen und ein Wechselstromsignal in der zweiten Spule erzeugt werden, wobei die Spulen beide in der Bewegungsebene liegen. Wenn sich das Objekt im dreidimensionalen Raum bewegen kann, ist es zweckmäßig, wenn die Nutation eine Bewegung auf einem Kegelmantel um den Richtungsvektor des Nutationsfeldes ausführt, wobei der Scheitel des Kegels am Schnittpunkt der Spulen liegt. Ein solches Nutationsfeld kann durch die Kombination eines Gleichstromsignals in einer der Spulen, eines Wechselstromsignals in einer zweiten Spule und eines Wechselstromsignals mit einer Phase, die gleich dem Quadrat der Phase des ersten Wechselstromsignals ist, in einer dritten Spule erzeugt werden, wobei sämtliche drei Spulen in ihrer gegenseitigen räumlichen Anordnung orthogonal zueinander ausgerichtet sind.

Sowohl bei dem oben beschriebenen, zweidimensionalen als auch dem dreidimensionalen Nutationsfeld fällt der Richtungsvektor mit der Richtung der Achse des Gleichstromfeldes zusammen. Um dieses Nutationsfeld ausirichten zu können, müssen Signalverarbeitungsanordnurigen, die als Koordinatentransformationsanordnungen bekannt sind, auf Bezugssignale für die Wechselstrom- und Gleichstromerregung einwirken, um dem Nutationsfeld die gewünschte Richtung zu geben. Um die dem erfinduneseemäßen

System zugrunde liegende Technik besser verständlich zu machen, wird nachstehend eine kurze Diskussion einer als Rotation bekannten Koordinatentransformation als Grundlage angegeben.

Die Umsetzung eines Vektors durch reine Rotation von einem Koordinatensystem in ein anderes Koordinatensystem wird generell als Transformation des Vektors von dem einen in das neue Koordinatensystem bezeichnet. Der Operator, der die Komponenten eines gegebenen Vektors in einem Koordinatensystem in seine Komponenten in einem anderen Koordinatensystem transformiert, wobei die zwei Koordinatensysteme durch eine einfache Winkeldrehung ineinander übergehen, wird hier als ein Resolver bezeichnet. Die Gleichungen für diese Transformation sind folgende:

X₂ = ΑΙ cos A -r >i sin A
J2 = y\ cos A — X\ sin A

Z₂ = Z₁ ,

wobei die z\ -Achse die Rotationsachse ist. Die Gleichungen sind aus der in F i g. 1 wiedergegebenen Geometrie leicht verständlich. Zu beachten ist dabei, daß dann, wenn die beiden von dem Resolver beeinflußten Komponenten positiv sind, die erste Komponente des positiven Paares immer den positiven Sinusausdruck hat, wenn der Rotationswinkel positiv ist. Wenn der Rotationswinkel negativ ist, kehrt sich das Vorzeichen des Sinusausdruckes um. Eine geeignete Darstellung für einen Koordinatentransformator oder Resolver ist das in F i g. 2 gezeigte Blockschaltbild, wobei in diesem Falle eine negative Rotation um die y-Achse vorliegt. Die y-Komponente wird daher von der Transformation nicht beeinflußt. Diese Tatsache kommt in der gezeigten Darstellung dadurch zum Ausdruck, daß die Komponente direkt durch den Block hindurchläuft, während bei einem Block, der die Konstellation nach F i g. 1 darstellte, die z_rAchse direkt durch den Block hindurchliefe. Diese Darstellung ist als ein Signalfluß oder Blockdiagramm für Vektorkomponenten anzusehen, das zur Beschreibung der erfindungsgemäß angewandten Berechnungsstrategie besonders nützlich ist.

Beim erfindungsgemäßen System wird ein gerichtetes Nutationsfeld erzeugt, das ene Nutation um eine mit dem Richtungsvektor zusammenfallende Achse ausführt. Im zweidimensionalen Fall wirkt ein einziger Resolver auf die orthogonalen Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten des Bezugsvektors der Nutationserregung ein, um die geeignete Mischung von Wechselstrom und Gleichstrom in jeder der zwei felderzeugenden Spulen herzustellen, so daß der Richtungsvektor zusammen mit der gesamten Struktur des magnetischen Nutationsfeldes so gerichtet ist, daß ein Winkel mit der A"-Achse als Bezugsachse gebildet wird, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Die Erregung für die beiden felderzeugenden Spulen, die notwendig ist um den Richtungsvektor in die erforderliche, durch den Winkel A definierte Richtung zu bringen, ist durchn folgende Gleichungen bestimmt:

Erregung für die X-Spule = (DC)cosA- (AQsmA
Erregung für die K-Spule= (AQcosA + (DC)smA,

wobei mit DC die Gleichstrom- und mit AC die Wechselstromkomponente bezeichnet sind.

Die Rechenschaltung, die zur genauen Ausrichtung des magnetischen Nutationsfeldes für den dreidimensionalen Fall dient arbeitet im wesentlichen nach dem gleichen Prinzip die im zweidimensionalen Fall. Der Bezugsnutationsvektor der Erregung besteht jetzt au« drei Komponenten, nämlich einem Gleichstromsignal und zwei Wechselslromsignalen, welche in quadratischer Abhängigkeit stehen. Der Richtungsvektor und dessen gesamte Struktur des Nutationsmagnetfeldes werden in jede gewünschte Richtung gebracht, die sich durch die Winkelgrößen A und B definieren läßt. Die F i g. 4a und 4b zeigen die Richtungsgeometrie und die zur Koordinatentransformation erforderliche Rechnungsschaltung, um die gewünschte Ausrichtung durch Einwirken auf die drei gegebenen Bezugssignale der Erregung zu erhalten. Hinsichtlich einer genaueren Erläuterung von Koordinatentransformationen, Berechnungen und Anwendungen darf auf J. K u i ρ e r s

t5 »Solution and Simulation of Certain Kinematics and Dynamics Problems Using Resolvers«, Proceedings ol the Fifth Congress of the International Association foi Analog Computation, Lausanne, Schweiz, 28.8. bis 2.9.1967, Seite 125 bis 134, Bezug genommen werden.

Das erfindungsgemäße System beinhaltet die Erzeugung eines Nutationsfeldes, das eine Nutation um einen Richtungsvektor ausführt. Das erzeugte Feld wird in wenigstens zwei Achsen auf dem zu verfolgenden oder lagemäßig zu bestimmenden Objekt abgetastet. Aus der ausgewerteten Beziehung zwischen den in jeder der orthogonalen Achsen abgetasteten Feldkomponenten läßt sich die Stellung des Objektivs relativ zum Richtungsvektor des Feldes und daraus die Lage des Objektes bestimmen. Um das Objekt zu verfolgen, wird der Richtungsvektor des Nutationsfeldes bewegt, bis das in zwei Achsen abgetastete Feld, nach geeigneter Auswertung der Koordinatentransformation, anzeigt daß das Objekt längs des Richtungsvektors ausgerichtet ist. Dies ist dann der Fall, wenn das ausgewertete Signal das von dem abgetasteten Nutationsfeld stammt während des Nutationszyklus sich hinsichtlich seiner Größe nicht verändert. Wenn ein Richtungsfehler existiert, so ist die Modulationsamplitude, die in der Richtung des Richtungsvektors abgetastet wird, proportional zur winkelmäßigen Abweichung des Objektes vom Richtungsvektor. Genauer gesagt ist die relative Phase der abgetasteten und ausgewerteten Signale verglichen mit den Bezugssigr.alen zur Felderzeugung, proportional zur Ausrichtung des Objektes relativ zum Richtungsvektor. Die Modulationsamplitude des abgetasteten und ausgewerteten Signals in Richtung des Richtungsvektors ist proportional zur Winkelabweichung vom Richtungsvektor.

Aus der obigen Erläuterung ergibt sich, daß der Richtungsvektor das Objekt kontinuierlich verfolgen kann. Dies resultiert in zwei Winkelmessungen, die die Lage des Objektes definieren. Die Bestimmung der winkelmäßigen Orientierung des Objektes ist jedoch davon völlig unabhängig. Die Orientierung des Objektes wird im allgemeinen durch drei Euler'sche Winkel definiert (vgl. auch die Literaturstelle von J. K u i ρ e r) die relativ zum Bezugskoordinatensystem der felderzeugenden Anordnung gemessen werden. Zwei der drei Messungen der Fehlausrichtung der Winkelorientierung sind proportional zu beliebigen, von Null verschiedenen Projektionen der abgetasteten und ausgewerteten Gleichstromfeldkomponenten in den Koordinatenrichtungen derjenigen Ebene, die senkrecht zur Richtung des Richtungsvektors verläuft Die dritte Messung des Fehlersignals für die Winkelorientierung ist proportional zur relativen Phase der abgetasteten und ausgewerteten Nutationssignale in dieser orthogonalen Ebene, verglichen mit der Bezugsnutationserregung der felder-

zeugenden Anordnung.

Dieses System zur Erzeugung eines Nutationsfeldes um einen Richtungsvektor ermöglicht es, ein entferntes Objekt sehr genau lageinäßig zu bestimmen und zu verfolgen, sowohl hinsichtlich seiner Stellung als auch ■> seiner Winkeloricnticrung. Obwohl das System bei einer großen Vielzahl von Situationen, bei denen die lagemäßige Bestimmung entfernter Objekte oder die Nachführung von Koordinaten zusätzlich zu den Orientierungswinkeln des Objektes erforderlich ist, Anwendung finden kann, ist das System bei einer bevorzugten Ausfüiirungsform zur Verwendung für die Nachführung der Lage und winkelmäßigen Orientierung eines Bcobachtungskopfes, insbesondere seiner Sichtlinie für visuell gekoppelte Steuersysteme, gedacht. Im Rahmen dieser begrenzten Anordnung ist die Sichtrichtung eines Piloten ständig und genau relativ zu den Koordinaten eines Flugzeuges definiert. Eine Reihe anderer Anwendungen, wie z. B. automatische Landungen oder Rendezvousmanöver, ferngesteuerte Fahrzeuge, selbsttätig gesteuerte Luft-zu-Luft-Betankung, Formationskonlrollc etc., sind alles Anwendungen, die in einem weil größeren Bereich arbeiten. Im allgemeinen ist jede Situation ein potentieller Anwendungsfall für das erfindungsgemäße System, bei der zwei oder mehr unabhängige Körper oder Koordinatensysteme vorhanden sind und bei der es erwünscht ist, nicht nur die reiativc Entfernung oder Lage der Systeme zu messen, zu verfolgen und genau zu kontrollieren, sondern auch gleichzeitig und mit derselben Vorrichtung eine genaue w Messung, Verfolgung und Steuerung der relativen Winkeloricntic! ung der beiden Systeme durchzuführen.

In F i g. 5 sind die Elemente eines bekannten Systems zur Erzeugung und Abtastung eines magnetischen Feldes gezeigt, das sich nicht dazu verwenden läßt, ein 3^r> Objekt lagemäßig und in seiner Orientierung zu bestimmen oder zu verfolgen. Das bekannte System weist eine Anordnung 10 zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit einer Spule 12 auf, bei der ein Draht aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material auf einen magnetischen, vorzugsweise isotropen Kern 14. gewickelt ist. Eine Stromquelle 16 für den Strom / mit beliebiger Trägerfrequenz ist mit der Spule 12 über die Leitungen 18 und 20 verbunden. Der Abtaster 22 weist eine Spule 24 auf. die ebenso wie die fclderzeugende *"> Spule 12 vorzugsweise auf einen magnetischen, isotropen Kern 25 gewickelt ist. Abtastschaltanordnungcn 26 sind mit der Spule 24 über Leitungen 28 und 30 verbunden.

Bei Verwendung des bekannten Systems erzeugt der durch die Spule 12 fließende Strom /ein magnetisches Feld 32. Die Spule 24 des Abtasters 22 wird an verschiedenen Stellen um die felderzeugcnde Spule 12 herumbewegl, und die in der Spule 24 induzierten Ströme stellen ein Maß für die Stärke des magnetischen Feldes 32 an den verschiedenen Stellen dar. Die Spule 24, deren Koordinatenachsen 33, 35 und 37 sind, kann relativ zu den Koordinatenachsen 34, 36 und 38 des Bezugskoordinatensystems, zusätzlich zu einer einfachen Verschiebung der Spule 24 in den Richtungen X, Y bo und/oder Z, unterschiedliche relative Winkelstellungen durch Drehungen um die Achse x, y und/oder ζ einnehmen.

In F i g. 6 ist das von der Abtastschaltungsanordnung 26 für ein gegebenes Feld 32 aufgenommene Ausgangssignal der Spule 24 gezeigt, das von dem durch die Spule 12 fließenden Strom 1 erzeugt wird, wenn die Spule 24 entweder um die y-Achsc 35 oder die z-Achse 37 um 360° gedreht wird. Die Spule 24 könnte jedoch an beliebig vielen Stellen im Umkreis der Spule 12 verschoben werden, wo die obigen Drehungen der Spule 24 wiederum das gleiche Ausgangssignal ergeben wurden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Damit wird auf einfache Art und Weise demonstriert, warum das bekannte System nicht dazu verwendet werden kann, eine eindeutige relative Lage oder eine relative Winkelorienticrung der zur Abtastung dienenden Spule 24 relativ zur felderzeugenden Spule 12 zu definieren.

In den Fig. 7 und 8 ist die Spule 12 gezeigt, welche dem Feld 32 eine Nutation mit einem bestimmten Winkel 48, z. B. einem Winkel von 45°, im Sinne einer einfachen Kippbewegung erteilt, die durch Nutationsmittel 44 erzeugt werden, die mit der Spule 12 verbunden sind. Die von der Abtastschaltungsanordnung 26 abgetasteten, resultierenden Ausgangskurven sind in Fig. 8 gezeigt. Die Verschiebungs- bzw. Translations- und Drehbewegungen sind auf die X-K-Ebene beschränkt. Die Kurven nach Fig. 8 verdeutlichen die dem erfindungsgemäßen System zugrundeliegende Methode. In Fig. 7 sind zwei senkrecht zueinander angeordnete Winkelorientierungcn für die Spule 24 gezeigt. In jeder dieser beiden Orientierungen wird im allgemeinen eine Wechselstromkomponente und eine Gleichstromkomponente in der Spule 24 induziert. Wenn die Spule 24 mit der /-Achse fluchtet, die orthogonal zur Nulationsachse 50 sein soll, so besteht das induzierte Signal bei der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz aus einer Wechselstromkomponente mit dem Wert Null und einer Gleichstromkomponente ebenfalls mit dem Wert Null. Wenn die Spule 24 mit der v-Achsc ausgerichtet ist, die mit der Nutationsachse 50 zusammenfällt, so besteht das induzierte Signal bei der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz aus der gesamten Gleichstromkomponente und wiederum einer Wechsclstromkomponenle mit dem Wert Null. Die beiden wichtigen Signale zur Bestimmung der relativen Orientierung und Translation bzw. Verschiebung sind das in der Spule 24 induzierte Glcichslromsignal. wenn diese ihre y-Stellung einnimmt, und das Wechseistromsignal in der x-Stellung. Beide haben den Wert Null, wie es in den oberen beiden Kurven in Fig.8 dargestellt ist, wenn kein Orientierungs- oder Translalionsfehlcr vorhanden ist.

Existiert ein Translations- bzw. Verschiebungsfchler. so wird die Spule 24 in der x-Stellung ein Wechseistromsignal 47 mit der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz abtasten. Die Größe dieses Signals ist proportional zur Größe des Translationsfehlers; seine Phase, die entweder 0" oder 180° beträgt, zeigt die Richtung des Fehlers an. Wenn ein Orientierungsfehler auftritt, so tastet die Spule 24 in der/-Stellung ein Gleichstromsignal 45 ab. Die Größe und Polarität dieses Gleichslromsignals 45 ist ein Maß für die Größe und Richtung des Orientierungsfehlers.

Die Anordnung nach F i g. 7 stellt ein erfindungsgemäßes System zur Bestimmung der Lage und Orientierung der Spule 24 durch abwechselndes Ausrichten der Spule 24 längs der x-Achse und der /-Achse dar, wobei vorausgesetzt wird, daß die Freiheitsgrade der Bewegung der Spule 24 so sind, daß diese abwechselnd mit der *-Achsc und der /-Achse zusammenfallen. Wenn eine Bewegung in Richtung der .Y-Achse, V-Achse und Z-Achse stattfindet, d. h. in allen drei Dimensionen, dann ist mehr als eine einfache, ebene Nutation in der X- V-Ebenc erforderlich, um die Bewegung zu charakterisieren, die nachstehend näher erläutert werden soll. In

ίο

der X-V-Ebene ist es jedoch weit einfacher, zwei orthogonal zueinander angeordnete Spulen, wie bei der Anordnung nach F i g. 9, zu verwenden als die Lage der Spule ständig zu verändern. Die Spule 24 in F i g. 7 ist daher bei der Anordnung nach Fig.9 durch die orthogonal zueinander angeordneten Spulen 52 und 54 ersetzt, die jeweils mit Abtastschaltungsanordnungen 26 über Leitungen 56 und 58 bzw. 60 und 62 verbunden sind.

Während die Nutation des Feldes 32 unter dem Winkel 48 in der Anordnung nach Fig. 7 durch jede geeignete Methode erreicht werden kann, beispielsweise durch Nutationsmittel 44, die der Spule 12 in F i g. 7 eine mechanische Nutationsbewegung erteilen, wird diese am besten elektrisch unter Verwendung eines Paares von Spulen 64 und 66 erzeugt, die ebenfalls orthogonal zueinander angeordnet sind. Stromquellen 68 und 70 sind mit jeder dieser Spulen 64 bzw. 66 durch Leitungen 72 und 74 bzw. 76 und 78 verbunden; dabei liefert die Stromquelle 68 ein Gleichstromsignal / für die Spule 64, und die Stromquelle 70 liefert ein Wechselstromsignal, ζ. B. M- sin o)t, für die Spule 66. Diese Signale können entweder einfache DC- oder Gleichstromsignale und AC- oder Wechselstromsignale sein, oder aber sie können beide einer geeigneten Trägerfrequenz, beispielsweise von 10 Kilohertz, überlagert sein. In diesen Fällen beziehen sich die Ausdrücke Wechselstrom und Gleichstrom auf die Modulationsumhüllende, die jede Kurve definiert. In jedem Falle wird das sich ergebende Magnetfeld in dem System nach F i g. 9 eine Nutation um die Nutationsachse 80 ausführen, die immer mit der Achse der Spule 64 zusammenfällt, wenn das Wechselstromsignal in der Spule 66 ein alternierendes Magnetfeld erzeugt, das zu dem vom Gleichstromsignal in der Spule 64 erzeugten Magnelfeld vektoriell addiert wird.

In der Praxis kann sich ein Objekt, auf dem orthogonal zueinander angeordnete Spulen 52 und 54 zur Abtastung befestigt sind, frei in einer Ebene bewegen, die durch die Achsen der Spulen definiert ist. Wenn das System zur Nachführung oder Verfolgung des Objektes bestimmt ist, sollten die felderzeugenden Spulen 64 und 66 die Fähigkeit zur Erzeugung eines Magnetfeldes haben, das eine Nutation um einen Richtungsvektor 80 mit einem von Scheitel zu Scheitel gemessenen Nutationswinkel 49 ausführt, wobei der Richtungsvektor 80 nicht mit der Achse der Spule 64 übereinstimmt. Solche Magnetfelder können durch Einspeisung geeigneter Mischungen von Wechselstrom- und Gleichstromsignalen in den Spulen 64 und 66 erzeugt werden. Wie bereits erwähnt, hängt der Betrag des Nutationswinkels 94 von der relativen Amplitude der DC- und AC-Stromque!len 68 bzw. 70 ab. Der Winkel, den der .Richtungsvektor 80 mit der X-Achse der Spule 64 als Bezugsachse bildet, wird von dem Mischungsprozeß bestimmt, der von der Resolver-Schaltung durchgeführt wird, oder dem Prozeß, der in der zu Fig.3 gehörenden Beschreibung angegeben worden ist und der in der Anordnung erfolgt, die in die Leitungen 72,74 bzw. 76,78 zwischen die Stromquellen 68 und 70 bzw. Spulen 64 und 66 eingeschaltet ist. Der Resolver arbeitet mit festgelegten Gleichstrom- und Wechselstrombezugssignalen von den Stromquellen 68 und 70, so daß die aufbereiteten Signale, die vom Resolver zur Erregung der Spulen 64 und 66 ausgehen, nunmehr die Fähigkeit besitzen, den Richtungsvektor 80 des Nutationsfeldes auf jeden gewünschten Winkel A über volle 360° gemäß den folgenden Gleichungen auszurichten:

Erregung für die Spule 64= (DQcos A - (AC)Un A

Erregung für die Spule 66= (AC)cos A + (DC)Un A.

LJm eine ausreichende Information zur Verfolgung bzw. Nachführung der Lage und winkelmäßigcn Orientierung eines Objektes mit daran angebrachten, zur Abtastung dienenden Spulen 52 und 54 in einer Ebene zu erhalten, sollten die Abtastschaltungsanordnungen 26 die Fähigkeit besitzen, nach Durchführung der Koordinatenrotation der in den Spulen 52 und 54 induzierten Signale die Wechselstrom-Fehlerkomponente in dem Richtungsvektor und die Gleichstrom-Fehlerkomponente in der Richtung orthogonal zum Richtungsvektor festzustellen.

Die relative Phase und Größe des oben erwähnten Wechselstromfehlers ist proportional zur Richtung und Größe der Fehlausrichlung. Die Polarität und Größe der oben erwähnten Gleichslrom-Fehlerkomponente ist proportional zur Richtung und Größe des Fehlers im berechneten Orientierungswinkel des entfernten Objektes.

Diese beiden Fehlersignale, die proportional zum Winkelfehler im Richtungswinkel bzw. zum Winkelfehler im relativen Orientierungswinkel des Objektes sind, werden dazu verwendet, Korrekturen bei der vorausgegangenen Messung dieser beiden Winkel durchzuführen. Die Veränderung des Richtungswinkels verschiebt den Richtungsvektor so lange, bis die zur Abtastung

)0 dienenden Spulen 52 und 54 danach ausgerichtet sind, wobei dann das Wechselstromfehlersignal, in der Richtung des Richtungsvektors 80 gemessen, auf Null geht. Die für den Orienticrungswinkcl erforderliche, angegebene Veränderung verbessert oder korrigiert

J5 den berechneten Orientierungswinkcl, der die relative Koordinalenbeziehung zwischen dem Koordinatensystem der felderregenden Spulen 64 und 66 und dem Koordinatensystem der abtastenden Spulen 52 und 54 darstellt. Wenn diese Beziehung in der Signalaufbereitungsanordnung auf geeignete Weise vom Resolver für den Orientierungswinkel Θ dargestellt wird, dann wird auch das Gleichstromfchlersignal in der Richtung orthogonal zum Richlungsvektor 80 zu Null werden.

Bezugnehmend auf F i g. 10 wird ein erfindungsgemäßes System zum kontinuierlichen Nachführen oder Verfolgen der relativen Stellung oder Richtung und der relativen winkelmäßigen Orientierung zwischen zwei unabhängigen Körpern in einer Ebene beschrieben. Die Bezugskoordinaten der Ebene sind durch die A"-Achse 84 und die V-Achse 86 definiert, die mit den felderzeugenden Spulen 64 bzw. 66 zusammenfallen. Sowohl die Translation bzw. Verschiebung als auch die Orientierungswinkel werden relativ zu diesem Bezugskoordinatensystem gemessen. Die zur Abtastung dienenden Spulen 52 und 54 sind an einem entfernten, sich bewegenden Objekt befestigt, und ihre orthogonal zueinander angeordneten Koordinatenachsen 90 und 92 definieren das Koordinatensystem des Objektes, das sowohl hinsichtlich seiner Lage als auch seiner Orientierung verfolgt werden soll.

Um ein Nutationsfeld zu erzeugen, das in eine bestimmte Richtung relativ zum festen Koordinatensystem der felderregenden Spulen 64 und 66 gerichtet ist, ist in jeder der felderregenden Spulen eine bestimmte Mischung von Gleichstrom- und Wechselstrom-Erregersignalen erforderlich. Der Resolver 102 bereitet die auf den Leitungen 104 und 106 von den Stromquellen 68 bzw. 70 empfangenen Bezugserreger-

signale für Gleichstrom und Wechselstrom gemäß einem angenommenen, mit 82 bezeichneten E:ingangsrichtungswinkel A auf, so daß geeignet gemischte Ausgangserregersignale des Resolvers erzeug! werden, die über Leitungen 108 und 110 an den Spulen 64 bzw. 66 "> anliegen. Der Richtungsvektor 80 und sein begleitendes Nutationsfeld sind daher unter einem Richtungswinkel A in bezug auf die X-Achse als Bezugsachse geneigt. Das erzeugte Nutationsfeld ist nominell in Richtung der zur Abtastung dienenden Spulen 52 und 54 gerichtet. Die Amplitude der Nutation 88 von Scheitel zu Scheitel ist festgelegt und beträgt üblicherweise 45° bis 90° und hängt von der relativen Größe der beiden festgelegten Signale für die Gleichstrom- und Wechselstromerregung der Stromquellen 68 und 70 ab. Es ist einsichtig, i^r> daß die in den Spulen 52 und 54 induzierten Signale nicht nur vorn Richtungswinkel A abhängen, sondern auch von dem mit 94 bezeichneten relativen Orientierungswinkel Θ. Aus diesem Grunde sind die in den Spulen 52 und 54 induzierten Signale durch Leitungen 112 und 114 mit dem Resolver 96 verbunden und werden vom Resolver 96 aufbereitet, wobei der Teil der Wechselstrom- und Gleichstrommischung der beiden Signale abgetrennt oder entmischt wird, der von dem mit 94 bezeichneten Orientierungswinkcl θ stammt, ·» wenn dieser größer als Null ist. Die beiden Komponenten des Ausgangssignals vom Resolver 96 liegen über Leitungen 116 und 118 am Resolver 98, der die Gleichstrom- und Wechselstromsignalmischung weiter entmischt; dies ist erforderlich, um den gewünschten. «> mit 82 bezeichneten Richtungswinkel A zu erhalten. Wenn der angenommene Richtungswinkel A und der angenommene Orientierungswinkel θ korrekt sind, werden die Ausgangskomponcnien vom Resolver 98 völlig entmischt werden. In diesem Falle trägt das r> nominelle Gleichstrom-Ausgangssignal auf der Leitung 120 keinen Wechselstrom-Modulationsfehler, womit angezeigt wird, daß kein Richlungsfchlcr vorhanden ist. Ebenso ist dem nominellen Wechsclstromsignal auf der Leitung 122 keine Gleichstromkomponente überlagert, ^4|> womit angezeigt wird, daß der berechnete Orientierungswinkel korrekt ist.

Vorausgesetzt, daß die Winkel θ und/oder A nicht korrekt sind, was der Fall sein wird, wenn sehr kleine Fehler erwartet werden, wie es beim Arbeiten unter *"> dynamisch wechselnden Bedingungen auftritt, dann werden die Abtastschaltungsanordnungcn 26, die auf den Leitungen 120 und 122 die Wechselstrom- und Gleichstromfehlerangaben erhalten, diese auf die Fehler bei der Bestimmung der Richtungswinkel θ und A ^w beziehen und auf den Leitungen 124 und 126 dem Winkelmeßkreis 100 die entsprechenden differentiellen Änderungen übermitteln, der sie unter den entsprechenden Winkeln abspeichert. Diese verbesserten Winkelmessungen von θ und A werden den jeweiligen Resolvern eingegeben, und zwar bei der vorliegenden Ausführungsform über die Leitungen 132, 134 und 136 gemäß einer vorgegebenen Rückkopplungsanordnung. Daraus ergibt sich, daß die Korrekturen, die an den Ausgängen auf den Leitungen 128 und 130 anliegen, die 6" Fehlermessungen der Komponenten auf den Leitungen 124 und 126 reduzieren. Diese Prinzipien lassen sich durch Anwendung des in F i g. 11 dargestellten Systems auf dreidimensionale Anwendungen erweitern.

Wie bei dem System nach Fig. 10 weist das System nach F i g. 11 felderzeugende Spulen 64 und 66 und zur Abtastung dienende Spulen 52 und 54 auf. Eine dritte feiderzeugende Spule 158, die sowohl zur Spule 64 als auch zur Spule 66 orthogonal angeordnet ist, und eine dritte zur Abtastung dienende Spule 248, die sowohl zur Spule 52 als auch zur Spule 54 orthogonal angeordnet ist, wird zur Messung der Information der dritten Dimension vorgesehen. Um das Verständnis zu erleichtern, sind die drei Spulen in jedem Falle räumlich getrennt dargestellt. In Wirklichkeit schneiden sich jedoch die Achsen der Magnetfelder sowohl bei den zur Felderzeugung dienenden Spulen als auch bei den zur Abtastung dienenden Spulen in einer wechselseitig orthogonalen Anordnung, wie es durch die Koordinatenachsen 84, 86, 160 bzw. 90, 92, 170 des kartesischen Koordinatensystems angedeutet ist.

Weiterhin wird ein zusätzliches 4C-Bezugserregersignal geschaffen, so daß das Wechselstromsignal ACX 1 und das Wechselstromsignal ACl in einer quadratischen Beziehung stehen oder um 90^ü phasenverschoben sind. Sie können als Sinuskurven mit gleicher Amplitude, aber 90° Phasenverschiebung angesehen werden, obwohl die beiden Wechselstromsignale AC'1 und AC2 nicht notwendigerweise sinusförmig in der praktischen Ausführung des Systems sein müssen.

Wiederum darf auf die F i g. 4a und 4b Bezug genommen werden, welche die obige Diskussion der Koordinatentransformationsanordnungen betreffen und die dreidimensionale Richtungsgeometrie zeigen. Die Im Falle der in F i g. 10 dargestellten zwcidimensionalen Ausführungsform ermöglicht die Fähigkeit des Richtungsvektors 180, in jede Richtung zu zeigen, in der die Anordnung der zur Abtastung dienenden Spulen 52, 54 und 248 sich bewegen kann, ein Nachführen der zum Abtasten dienenden Spulen. Die Bezugserrcgersignale für das Gleichstromsignal DC. das Wechselstromsignal 4Cl und das Wechselstromsignal ACI aus den Stromquellen 68, 70 und 140 definieren ein kegelförmiges Nutationsfeld 164 um einen Richtungsvektor 180, der mit der Achse der Gleichstromkomponente des Nutationsfeldes zusammenfällt. Es darf wiederum betont werden, daß die Ausrichtung des Richtungsvektors 180 elektrisch durch eine noch zu beschreibende Schaltungsanordnung erfolgt, während die felderzeugenden Spulen 64, 66 und 158 in einer festen Orientierung zueinander verbleiben. Die Stromquelle 68 für das Gleichstromsignal DC und die Stromquelle 140 für das Wechselstromsignai ACI sind über Leitungen 142 und 144 mit dem Resolver 220 verbunden, dessen Ausgangsleitung 148 ebenso wie die Ausgangsleilung 146 der Stromquelle 70 für das Wechselstromsignal AC'1 mit dem Resolver 222 verbunden sind. Die Ausgangsleitungen 154 und 156 führen die Erregersignale vom Resolver 222 den felderzeugenden Spulen 64 und 66 zu. Die felderzeugende Spule 158 wird über die Leitung 152 vom Ausgang des Resolvers 220 erregt. Die beiden Winkel A und B der Resolver 222 und 220 arbeiten daher auf dem Bezugsvektoreingang des Nutationsfeldes, dessen Komponenten die Bezugserregersignale der Stromquellen 68, 70 und 140 sind, so daß der Richtungsvektor l«0 und sein dazugehöriges Nutationsfeld in Übereinstimmung mit der in Fig.4a gezeigten Geometrie ausgerichtet sind. Der Richtungsvektor 180 zeigt in Richtung des Abtasters, der auf dem entfernten, durch das System zu verfolgenden Objekt angebracht ist. Dieser Abtaster besteht aus drei wechselseitig orthogonal zueinander angeordneten Spulen 52, 54 und 248, die auf dem entfernten Objekt befestigt sind und die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit den Hauptachsen des entsprechenden Objektes iihPrpinuimmpn cr> AxR hp'i r\ar

Bestimmung der Orientierung des dreiteiligen Abtasters die Orientierung des entfernten Objektes gleichzeitig bestimmt wird.

Wie bei der an H'ind von Fig. 10 erläuterten zweidimensionalen Ausführungsform sind die in den Spulen 52, 54 und 248 induzierten Signale von der Orientierung ihres Koodinatensystems abhängig, das von den wechselseitig orthogonal zueinander stehenden Koordinatenachsen 90, 92 und 170 gebildet wird, und zwar relativ zum Richtungsvektor 180 und seinen zwei κι orthogonalen Komponenten des Nutationsfeldes. Mit anderen Worten, die spezielle Mischung der von den Stromquellen 68, 70 und 140 erzeugten Bezugserregersignale, d. h. des Gleichstromes DC, des Wechselstromes 4Cl und des Wechselstromes 4C2. die in jeder der drei Spulen 52, 54 und 248 induziert wird, hängt nicht nur von den zwei Richtungswinkeln A und B ab: welche die zusammengesetzte Richtungskoordinaten-Transformationsanordnung 252 ansteuern, sondern auch von den drei Euler'schen Winkeln, die die relative Winkelorientierung des entfernten Objektes definieren und die die zusammengesetzte Orientierungskoordinaten-Transformalionsanordnung 250 steuern. Die Hauptfunktion der beiden Koordinaten-Transformationsanordnungen 250 und 252 in der Gesamirechenstrategic :s des Systems besteht darin, daß die Transformationsanordnung 250 den Teil der Bezugssignalmischung entmischt, der in den abtastenden Spulen induziert wird und der der relativen Orientierung des entfernten Objektes zuzurechnen ist. während die andere Transfor- j(i mationsanordnung 252 den verbleibenden Teil der Bezugssignalmischung entmischt, der sich auf die Richtungswinkel bezieht.

Wenn die drei Orientierungswinkel, die die Koordinaten-Transformationsanordnung 250 steuern, und die zwei Richtungswinkel, die die Koordinaten-Transformationsanordnung 252 steuern, in geeigneter Weise die räumliche Beziehung zwischen den beiden Koordinatensystemen zur Signalerzeugung und Signalabtastung repräsentieren, dann entsprechen die Signale, die von den Abtastschaltanordnungen 26 abgetastet werden, den entmischten Bezugssignalcn des Glcichstromsignals DC. des Wechselstromsignals 4Cl und des Wechselstromsignals 4C2 aus den Stromquellen 68.70 und 140.

Die Spulen 54 und 248 sind mit dem Resolver 224 über die Leitungen 168 und 172 verbunden. Der Ausgang der Spule 52 und ein Ausgang des Rcsolvers 224 sind mit dem Resolver 226 über die Leitungen 166 bzw. 174 verbunden. Ein Ausgang des Resolvers 224 und ein Ausgang des Rcsolvers. 226 sind mit dem Resolver 2?8 ^r>" über die Leitungen 176 bzw. 178 verbunden. Die beiden Ausgänge des Resolvers 228 sind mit dem Resolver 230 über die Leitungen 186 bzw. 188 verbunden. Ein Ausgang des Resolvers 226 und ein Ausgang des Resolvers 230 sind mit dem Resolver 232 über die Leitungen 184 bzw. 190 verbunden. Em Ausgang des Resolvers 230 und zwei Ausgänge vom Resolver 232 liefern die aufbereiteten Eingangssignale für die Abtastschaltanordnung 26, wobei diese Eingangssignal über die Leitungen 192,194 und 1% eingespeist werden. Die mil den auf den Leitungen 192, 194 und 1% anliegenden drei Eingangssignalen arbeitende Abtastschaltanordnung 26 tastet deren Abweichungen von den nominell korrekten Werten ab. die den Komponenten der Bezugserrcgcrsignale von den Stromquellen 68, 70 und 140 entsprechen sollten. Das auf der Leitung 194 abgetastete Signal sollte nominell ein Gleichstromsignal sein. Wenn die Leilung 194 ein Wechsclstromfchlcrsignal in der Nutalionsfrequenz enthalt, dann ist eine Fehlausrichtung vorhanden, d. h„daß der Richtungsvektor 180 nicht genau auf die Spulen 52, 54 und 248 ausgerichtet ist. Der Teil des Wechselstromfehlersignais, der auf der Leitung 194 anfällt und die gleiche absolute Phase wie das Erregersignal auf der Leitung 146 aufweist, ist proportional zu einem Fehler im Richtungswinkel A. Dieser Fehler im Richtungswinkel A ist mit dem Winkelmeßkreis 100 über die Leitung 200 verbunden. Der Teil des Wechselstromfehlersignals, der auf der Leitung 194 anfällt und die gleiche absolute Phase wie das Erregersignal auf der Leitung 144 aufweist, ist dem Fehler im Richtungswinkel B proportional. Dieser Fehler im Richtungswinkel B liegt über die Leitung 202 am Winkelmeßkreis 100.

Das auf der Leitung 192 anliegende Signal sollte ein nominelles Wechselstromsignal mit der Nuta'.ionsfrequenz sein und kein Gleichstromsignal. Wenn ein Gleichstromsignal auf der Leitung 192 erscheint, ist dies proportional einem OrienlieruiigswinkeJfehler im Orientierungswinkel Ψ, der der sogenannte relative Peilwinkel ist. Dieser abgetastete Fehler im relativen Peilwinkcl Ψ liegt über die Leitung 208 am Winkelmeßkreis 100.

Das auf der Leilung 196 anliegende Signal sollte ebenfalls ein nominelles Wechselstromsignal mit der Nutationsfrequenz sein und keinen Gleichstromanteil enthalten, jedesmal wenn ein Glcichslromsignal auf der Leitung 196 erscheint, so ist dies proportional zu einem Fehler im relativen Orienticrungswinkcl Θ. dem sogenannten relativen Höhcnwinkcl. Dieser Fehler im relativen Höhenwinkcl β liegt über die Leitung 206 am Winkclmcßkreis 100.

Wie oben bereits erwähnt, sind die auf den Leitungen 192 und 196 auftrclendcn Signale nicht allein dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wcchsclstromsignal mit Nutationsfrequenz darstellen, sondern auch dadurch, daß sie in quadratischer Beziehung zu ihren korrespondierenden nominellen Bczugssignalen stehen, nämlich dem Wechselsiromsignai ACX und dem Wechsclstromsignal AC2. Weiterhin ist die Phasendifferenz zwischen dem Signal auf der Leitung 192 und der Stromquelle 70 oder alternativ die Phasendifferenz zwischen dem Signal auf der Leitung 1% und der Stromquelle 140 proportional zu einem Fehler im relativen Orieniicrungswinkel Φ. dem sogenannten relativen Rollwinkel. Dieser Fehler im relativen Rollwinkcl Φ liegt über die Leilung 204 am Winkelmcßkrcis 100. Die Funktion des Winkclmeßkreiscs 100 besteht darin, richtige oder berichtigte Messungen der beiden Richtungswinkel A und B auf den Leitungen 210 und 212 abzugeben, die auf den von der Ablaslschaltanordnung 26 ermittelten Winkclfehlern beruhen. Eine weitere Funktion des Winkelmeßkreiscs 100 besteht darin, richtige oder korrigierte Messungen der drei relativen Orientierungswinkel Φ, θ und Ψ auf den Leitungen 214,216 und 218 zu liefern. Diese fortschreitend verbesserten Winkelmessungen, die auf den Leitungen 210,212,214,216 und 218 erscheinen, sind über die Leitungen 234 und 240,236 und 238, 246, 244, 242 mit den Resolvern 222 und 230, 220 und 232, 224, 226 und 228 in einer festen Rückkopplungsanordnung verbunden. Vom Winkclmeßkrcis 100 an den betreffenden Winkein durchgeführte Korrekturen wirken dahingehend, die Fehlersignale, die von der Abtaslschaltanordnung 26 auf den Leitungen 194, 192 und 196 auftreten, auf Null zu reduzieren. Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Folge der Winkel und ihrer dazugehörigen Rotationsachse sowohl für die Rieh-

tungskoordinaten-Transformationsanordnung 252 als auch für die Orientierungskoordinaten-Transformationsanordnung 250 nicht zwingend ist. Das bedeutet, daß auch andere Winkeldefinitionen und Rotationsfolgen für jede der beiden Transformationen verwendet werden können, unter der Voraussetzung, daß sie die erforderliche Freiheit für die Ausrichtung und relative Orientierung besitzen.

Weiterhin darf darauf hingewiesen werden, daß die Realisierung des erfindungsgemäßen Systems durch die Verwendung bekannter Techniken mit digitalen, analogen oder Hybridschaltungen durchgeführt werden kann.

Auch wenn das erfindungsgemäße System als spezielles Überführungssystem mit fünf Freiheitsgraden zwischen zwei räumlich entfernten, unabhängigen Koordinatensystemen arbeitet, wobei nur eine Erregerquelle in dem einen Koordinatensystem und nur ein Empfänger in dem anderen Koordinatensystem verwendet wird, so darf darauf hingewiesen werden, daß sich dieses System leicht dahingehend erweitern läßt, um eine Messung aller sechs Freiheitsgrade unter Verwendung von zwei Erregerquellen zu erreichen. Die zweite Erregerquelle würde oder könnte an einer anderen Stelle im Koordinatensystem der ersten Erregerquelle angebracht sein und mit der ersten Erregerquelle parallel arbeiten, wobei die dritte Translaiionskoordinaie, die des relativen Bereichs, durch eine Triangulation unter Verwendung der gleichen Rechentechniken bestimmt werden könnte, wie sie beim erfindungsgemäßen System Verwendung findet.

Auch darf betont werden, daß sich das erfindungsgemäße System in einem breiten Anwendungsbereich einsetzen läßt, und zwar in Bereichen von wenigen Kubikmetern oder weniger bis zu Anwendungen in Bereichen etlicher Kubikkilometer. Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Abtastanordnungen 26 intern mit den Komponenten der Bezugserregersignale von den Stromquellen 80, 70 und 140 versorgt werden, um die Ausfilterabtastfunktion logisch ausführen zu können, die für ihre Abtastschaltanordnungen 26 erforderlich ist.

Die Resolver, die Teile der Schaltungsanordnung darstellen, können beispielsweise so hergestellt werden, wie es in der US-PS 31 87 169 und der US-PS 29 27 734 beschrieben ist. Die Abtastschaltanordnungen können wiederum beispielsweise so aufgebaut werden, wie es in der Literaturstelle »Electronics Circuit Designers Casebook« von Electronics McGraw Hill, No. 14-6 auf Seite 67 dargestellt ist. Der Winkelmeßkreis kann in der Form aufgebaut sein, wie es bei einer großen Anzahl bekannter Servomechanismen vom Typ I der Fall ist Selbstverständlich gibt es zahlreiche alternativ erhältliche bekannte Konstruktionen für jede dieser Anordnungen.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße System mit einer zweidimensionalen Nutation des erzeugten Nutationsfeldes die Richtungsund Orientierungsv/inkel des entfernten Objektes in der Ebene der Nutation bestimmt werden können, während

ίο mit eine:- dreidimensionalen Nutation die Richtung und die Orientierung eines entfernten Objektes bestimmt werden können.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, daß einerseits auch der unverarbeitete Ausgang des Winkelmeßkreises in bestimmten Situationen in einem offenen System von Nutzen sein kann, obwohl normalerweise für eine genaue Bestimmung der Orientierungswinkel Φ, θ und Ψ die Ausstrahlmittel direkt auf die Abtastmittel gerichtet sein müssen und daß andererseits die absolute Lage und Orientierung, einschließlich der Entfernung eines Objektes relativ zur Bezugsquelle durch Verwendung zweier räumlich getrennter Erregungsmittel, wie sie in F i g. 11 dargestellt sind, mit geeigneter Eingangs- und Ausgangsschaltung an dem Objekt bestimmt werden können.

Obwohl das erfindungsgemäße System im Detail als ein Objektverfoigungssystem zur Verfolgung der Bewegung und winkelmäßigen Orientierung eines im allgemeinen entfernten Objektes beschrieben worden ist, ist einsichtig, daß sich das erfindungsgemäße System bei einer Vielzahl von Objektbestimmungs-Nachführungs- und Orientierungswinkelbestimmungen verwenden läßt. Eine gegenwärtig noch in der Entwicklungsphase befindliche Anwendung besteht in der Verfolgung der Bewegung und Orientierung eines Beobachtungskopfes, insbesondere dessen Sichtlinie, zur Verwendung in einem visuell gekoppelten Steuersystem. Andere mögliche Anwendungen, beispielsweise des zweidimensionalen Systems, ergeben sich bei verschiedenen Arten des Transportes in einer Ebene, wie beim Manövrieren von Schiffen oder bei der Aufrechterhaltung geeigneter Entfernungen zwischen Personenautos in einem automatisierten, öffentlichen Transportsystem. Andere Flugzeugnavigationsprobleme, die sich mit dem erfindungsgemäßen System lösen lassen, bestehen in der Ausrichtung von Raketensystemen in der Luft, selbsttätigem Ankuppeln von Tankerrohrdüse und Aufnehmer bei der Luftbetankung von Flugzeugen, Formationsfliegen, Instrumentenlandung von senkrecht startenden und landenden Flugzeugen und dergleichen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Objektverfolgungssystem, mit Mitteln zum Ausstrahlen eines gerichteten magnetischen Feldes, mit am Objekt befindlichen Mitteln zum Abtasten des Feldes und mit Mitteln zur Ableitung der Fehlausrichtung des Feldes gegenüber den Abtastmitteln aus einem Fehlersignal, wobei die Ausstrahl- und Abtastmittel aus orthogonal zueinander angeordneten Spulen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß 'as Feld ein Nutationsfeld (32, 164) mit einer mit dem Richtungsvektor des Feldes (32,164) zusammenfallenden Nutationsachse (50,80,180) ist

2 System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Nutationsfeld (32,164) durch Überlagerung von deich- und Wechselstromsignalen (68, DQ 70,140, AQ AC1, AC2) erzeugt wird.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Gleich- und Wechselstromsignale (DQ AC, ACi, AC2) Modulationssignale einer Trägerfrequenz sind.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Objektverfolgung im zweidimensionalen Raum (x, y, 90, 92) die Nutation in der durch die Koordinatenachsen (X. Y, 84,86) aufgespannten Ebene erfolgt.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Objektverfolgung im dreidimensionalen Raum (x, y, z, 90,92, 170) die Nutation in zwei Ebenen erfolgt.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die beiden Ebenen senkrecht aufeinander stehen.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutation des Nutationsfeldes (164) eine Bewegung auf einem Kegelmantel um den Richtungsvektor (180) des Nutationsfeldes ausführt.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Fehlersignal die Nutationsachse (50,80,180) nachgeführt wird.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung und/oder die Nachführung der Nutationsachse (50, 80, 180) über Koordinaten-Transformationsanordnungen erfolgt.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinaten-Transformationsanordnungen Resolver sind.