DE3720021C2 - Ortungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur räumlichen Ortung einer mit einem beweglichen Körper verknüpften Richtung in bezug auf eine Struktur. Mittels eines solchen Ortungssy­ stems kann die relative Orientierung des beweglichen Kör­ pers bezüglich einer umgebenden Struktur bestimmt werden, insbesondere im Bereich der Luftfahrt, wobei dann der be­ wegliche Körper durch einen Pilotenhelm gebildet ist, der mit einem Visiergerät ausgestattet ist, während die Struk­ tur durch das Cockpit gebildet ist.

Derartige Systeme werden in verschiedenen Ausführungen ver­ wirklicht, die sich in zwei Hauptkategorien einteilen las­ sen, nämlich die optischen Lösungen und die magnetischen Lösungen. Die Erfindung befaßt sich mit einer optischen Lö­ sung. Bei einer solchen Lösung kann eine Gruppe von Leucht­ dioden an dem Helm angebracht werden, ein oder mehr Meßwert­ aufnehmer sind an dem Cockpit angebracht, und ein Hilfsrech­ ner verarbeitet die erfaßten Signale, um die mit dem Helm verknüpfte Bezugsrichtung zu messen. Die Dioden werden durch den Rechner nacheinander sequentiell angesteuert. Die Meß­ wertaufnehmer sind im Flugzeug fest angebracht. Der Rechner kann jederzeit die räumliche Lage einer definierten Rich­ tung angeben, die mit dem Helm verknüpft ist; diese Bezugs­ richtung ist vorzugsweise als Visierrichtung des Piloten gewählt. Eine solche Lösung ist insbesondere in der FR 2 399 033 A1 beschrieben. Der Meßwertaufnehmer ist durch wenigstens eine Detektorvorrichtung gebildet, die vorzugs­ weise aus drei Untergruppen besteht, welche jeweils eine linienförmige Anordnung von fotoempfindlichen Elementen enthalten, die an ein zylindrisches Diopter mit senkrechter Ausrichtung angekoppelt sind, um drei Ebenen zu bestimmen, die durch die lichtaussendende Quelle verlaufen, und um durch eine zusätzlich ausgeführte Berechnung die räumliche Lage entsprechend dieser Quelle, dann die räumliche Lage des durch eine Gruppe von drei Quellen gebildeten Dreiecks und anschließend die aufzufindende Richtung zu bestimmen.

Ein erheblicher Mangel, der diesen Vorrichtungen anhaftet, besteht in der Tatsache, daß der optische Wirkungsgrad sehr gering ist, da der zu dem zylindrischen Diopter gehörende Schlitz eine Breite von nur etwa 150 µm aufweist und die Lichtenergie, welche von der Leuchtquelle ausgeht und diese Optik sowie den Schlitz durchquert und zu einem oder mehreren Elementen der Detektorzeile gelangt, sehr gering ist.

Gemäß einer weiteren Lösung, die in der FR 2 433 760 A1 be­ schrieben ist, reflektiert der Helm eine Strahlung zurück, welche auf einer X-Y-Matrix auftrifft, die elektrisch durch eine Steuerschaltung angesteuert wird und deren Matrixele­ mente durch eine Rechenschaltung gemäß einem vorbestimmten Selektionsprogramm vom undurchlässigen in den transparenten Zustand umgesteuert werden. Ein einziger Fotodetektor, der hinter der Matrix angeordnet ist, steuert die Rechenschal­ tung an, welche die Winkelablagewerte der Rückreflektorvor­ richtung liefert. Mehrere Rückreflektoren sind vorgesehen, um die Funktion der Dioden zu erfüllen und so eine mit dem Helm verknüpfte Richtung zu bestimmen. Gemäß dieser Lösung kann die elektrisch steuerbare Matrix aus nematischen Flüs­ sigkristallen oder durch eine optoelektrische Verschlußvor­ richtung auf PLZT-Keramik-Basis gebildet sein. Eine solche Lösung erweist sich jedoch als komplex, ihre Aufstellung als schwierig, und im Betrieb wird eine bestimmte Dauer be­ nötigt, um die Matrix Element für Element abzufragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zum Auffinden der räumlichen Lage einer Richtung zu verwirkli­ chen, wodurch die den oben beschriebenen Lösungen anhaften­ den Mängel behoben werden und Detektormatrixstrukturen in Festkörper-Schaltungstechnik verwendet werden.

Durch die Erfindung wird ein System zum Orten der räumlichen Lage einer mit einem beweglichen Körper verknüpften Richtung bezüglich einer Struktur geschaffen, mit vom Helm getragenen Emissionseinrichtungen und von der Struktur getragenen opto­ elektrischen Detektionseinrichtungen, um durch Analyse der erfaßten Signale und eine Berechnung einander schneidender Ebenen sowie über die Schnittgeraden dieser Ebenen die auf­ zufindende Richtung zu bestimmen. Das System ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen durch wenigstens einen mit Ladungsüberführung arbeitenden Matrix-Festkörper-Bild­ aufnehmer gebildet ist, welcher einer Fokussieroptik zugeordnet ist, während die Emissionseinrichtungen durch eine Schar paralleler Emissionsstreifen gebildet sind, die durch lichtundurchlässige Abstände getrennt sind und parallel zu der aufzufindenden Richtung an dem Körper angebracht sind, so daß die Abbildung der Streifen auf den Detektoreinrichtun­ gen analysiert werden kann, um wenigstens zwei Schnittebe­ nen, jeweils mit einem beliebigen abgebildeten Streifen, und den Mittelpunkt der entsprechenden zugeordneten Optik sowie ihre zur aufzufindenden Richtung parallele Schnittge­ rade zu bestimmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Emissionsein­ richtungen in Form von fluoreszierenden oder retroreflektierenden Streifen;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Ortungssystems, bei welchem zwei Bildauf­ nahmekameras verwendet werden;

Fig. 3 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des bei dem Ortungssystem nach Fig. 2 angewendeten Verfahrens;

Fig. 4 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des Verfahrens bei einem erfindungsgemäßen Ortungs­ system, in dem nur eine Bildaufnahmekamera ver­ wendet wird;

Fig. 5 eine schematische Teilansicht der Abbildung eines Streifens auf einem Matrix-Bildaufnehmer, zur Veranschaulichung der Meßempfindlichkeit des Systems; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer anderen Aus­ führungsform des Streifenmusters zur Messung der Rollbewegung des beweglichen Objekts um die auf­ zufindende Richtung.

Fig. 1 zeigt ein geometrisches Muster von Emissionsstreifen B1, B2, . . . Bj . . . usw.; diese Emissionsstreifen senden Licht aus und sind parallel zu der aufzufindenden Bezugs­ richtung DR. Diese Streifen können reflektierende Streifen aus einem fluoreszierenden Material oder aus retroreflek­ tierendem Material sein. Diese Elemente können leicht als Klebestreifen oder aus Farbe hergestellt werden. Die Berei­ che zwischen den Emissionsstreifen sind dunkel; sie können beispielsweise dadurch gebildet sein, daß ein Tragkörper 1 mattschwarz lackiert wird. Der die Streifen tragende Trag­ körper 1 kann eben oder gekrümmt sein; bei der hier gezeig­ ten Ausführungsform handelt es sich um einen Abschnitt einer zylindrischen Mantelfläche. Bei Verwendung von fluo­ reszierenden Streifen ist die Lichtquelle durch die Umge­ bungsbeleuchtung gebildet. Im Falle von retroreflektieren­ den Streifen wird eine Lichtquelle verwendet, deren Beleuch­ tungsfeld die Oberfläche des zu beleuchtenden Musters über­ deckt; diese Lichtquelle liegt in der Nähe der optoelektri­ schen Detektorelemente.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Ortungssystems in An­ wendung auf das Visiergerät an einem Helm, wobei darauf hin­ zuweisen ist, daß andere Anwendungen möglich sind. Bei die­ ser Ausführungsform sind die in Fig. 1 im einzelnen gezeig­ ten Emissionseinrichtungen am Pilotenhelm 2 angebracht, der den bezüglich der Umgebungsstruktur, nämlich dem Flugzeug­ cockpit, beweglichen Körper bildet. Die Umgebungsstruktur ist mit zwei optoelektrischen Bildaufnehmern 3A, 3B ausge­ stattet, die vom Matrix-Festkörper-Detektortyp sind und mit Ladungsüberführung arbeiten (CCD). Bei dieser ersten Ausfüh­ rungsform bestehen die beiden Bildaufnehmer aus zwei übli­ chen Miniaturkameras 3A und 3B, die jeweils ein optisches Filter 5 aufweisen, beispielsweise ein Interferenzfilter, und mit einem Objektiv 6, einer Detektormatrix 7 und dieser nachgeordneten Ablenk- und Leseschaltungen 8 versehen sind. Diese Schaltungen können durch einen Hilfsrechner 10, der die entsprechenden Steuersignale SC erzeugt, ferngesteuert werden. Die erfaßten Videosignale SV (SVA und SVB) werden in Auswerteschaltungen 11 verarbeitet und dem Rechner 10 in Digitalform zugeführt, um die Berechnungen für die Er­ mittlung der Richtung DR auszuführen. Die Kameras sind auf den Helm gerichtet, wobei der für die Bewegung der Kopfes des Piloten vorgesehene Raumausschnitt im Bildfeld der Ka­ meras verbleibt, damit diese stets einen kleinen Teil des geometrischen Musters erfassen, das die Emissionsstreifen bildet. Da somit der Auslenkbereich des Pilotenkopfes eben­ so wie das von der Kamera erfaßte Bildfeld begrenzt ist, können hieraus die Abmessungen für das Muster bestimmt wer­ den, wobei weiter die recht geringe Entfernung zwischen diesem Muster und den Erfassungskameras berücksichtigt wird. Im Falle von retroreflektierenden Streifen trägt die Vor­ richtung ferner eine Emissionsquelle 15, beispielsweise eine im infrarotbereich sendende Leuchtdiode. Diese Strahlungs­ quelle wird durch eine Schaltung 16 gespeist, die einer Blende 17 zugeordnet ist, um ein Bildfeld auszuleuchten, das dem Helmbewegungsbereich entspricht.

Fig. 3 veranschaulicht die Wirkungsweise dieser Anordnung. Die Matrix-Bildaufnehmer 7A und 7B sind ebenso wie die zu­ geordneten Objektive 6A bzw. 6B fest mit der Struktur ver­ bunden, die in dem Bezugssystem XA, YA, ZA definiert ist. Die Streifen B1, B2 usw. werden von dem Körper 2 getragen, der in dem Bezugssystem XC, YC, ZC des bezüglich der Struk­ tur beweglichen Körpers definiert ist. Die Abbildung der Streifen auf den Bildaufnehmern ergibt eine Schar von auf einen gemeinsamen Punkt zulaufenden Geraden (da die Geraden nur ausnahmsweise parallel sind, wenn die optische Achse senkrecht zur Richtung DR ist). Wenn die Abbildung eines beliebigen Streifens auf den beiden Bildaufnehmern betrach­ tet wird, so ist ersichtlich, daß diese Abbildung mit dem Mittelpunkt OA oder OB der zugeordneten Optik eine Ebene bestimmt, die notwendigerweise durch den entsprechenden emittierenden Streifen B_j oder B_k verläuft. Da diese Strei­ fen aber parallel sind, ergibt der Schnitt dieser beiden Ebenen PA und PB notwendigerweise eine Gerade, die parallel zu der gesuchten Bezugsrichtung DR ist. Die Lage der Bild­ aufnehmer bezüglich des Bezugskoordinatensystems der Struk­ tur ist bekannt, ebenso wie der Abstand D zwischen den Mittelpunkten C1 und C2 dieser Bildaufnehmer. Man kennt ferner die Brennweite f zwischen dem Bildaufnehmer und dem Mittelpunkt OA, OB des zugeordneten Objektivs. Folglich kann der Rechner leicht jede Ebene PA, PB in dem Bezugs­ system XA, YA, ZA bestimmen und hieraus die Richtung der Schnittgeraden DR bestimmen, wobei diese Gerade, wie in Fig. 2 gezeigt, der normalen Visierrichtung des Piloten entsprechen kann.

Die Fig. 4 zeigt das Funktionsprinzip bei einer vereinfach­ ten Ausführungsform, die jedoch keine geringere Genauigkeit ergibt und bei welcher nur eine einzige Kamera DTC verwen­ det wird, um die aufzufindende Richtung DR zu bestimmen. Auf der Matrix 7 bildet die Abbildung der Streifen eine Schar von Geraden, die in einem Punkt I zusammenlaufen. Es werden zwei beliebige Emissionsstreifen B_k und B_j betrach­ tet, die jeweils mit ihrer Abbildung eine Ebene bilden, welche durch den Mittelpunkt O des zugehörigen Objektivs verläuft. Diese beiden Ebenen PA und PB verlaufen notwen­ digerweise durch den Schnittpunkt I, welcher der Bildpunkt des Schnittpunktes der Streifen B_k und B_j ist, welcher im Unendlichen liegt. Hieraus leitet man ab, daß die Schnitt­ gerade 10 dieser Ebenen der aufzufindenden Richtung DR ent­ spricht. Der Rechner 10 bestimmt wie bei der zuvor beschrie­ benen Ausführungsform die Ebenen PA und PB und den Schnitt­ punkt I der Streifenabbildungen (dieser Punkt liegt in der Ebene des Bildaufnehmers), um hieraus leicht die Schnittge­ rade 10 zu bestimmen, welche die Richtung DR darstellt.

Die Fig. 5 veranschaulicht als Detailschema die durch das beschriebene System gewonnene Genauigkeit. Diese Genauig­ keit ist sehr hoch, was leicht ersichtlich ist, wenn man berücksichtigt, daß eine Abbildung des Streifens IB_j mehrere Bildpunkte (Pixel) in der Zeilenablenkrichtung XL überdecken kann, was eine genaue Bestimmung der mittleren Richtung DB_j der Abbildung des Streifens IB_j durch Mittelung der erfaß­ ten Werte ermöglicht.

Das vorgeschlagene System ermöglicht somit die Bestimmung einer Richtung im Raume bezüglich eines gegebenen Bezugs­ systems und ist insbesondere auf die Messung der Orientie­ rung der Visierlinie eines Piloten in dem als Bezugssystem dienenden Flugzeug anwendbar. Dabei werden eine oder meh­ rere übliche Kameras verwendet. Ein leicht herstellbares geometrisches Muster wird verwendet, welches in vielerlei Hinsicht vorteilhaft ist, insbesondere wegen des vernach­ lässigbaren Gewichts und Volumens. Bei der Anwendung auf ein Helm-Visiergerät symbolisiert ein durch eine Kollima­ torvorrichtung 20 (Fig. 2) kollimiertes Fadenkreuz die zu messende Visierrichtung DR. Das geometrische Muster 1 ist an dem Helm angebracht, entweder direkt, wenn die verfüg­ bare Oberfläche hierfür geeignet ist, um eine Konfiguration von parallelen Streifen zu erhalten, oder über einen Träger der in Fig. 1 gezeigten Art, wenn die Ebenheit in Längsrich­ tung der Streifen auf der Helmoberfläche unzureichend ist.

Die Verwirklichung des geometrischen Musters gelingt beson­ ders leicht, wenn der bewegliche Körper eine ebene Oberflä­ che oder eine Oberfläche trägt, welche durch die Bewegung einer Mantellinie parallel zu sich selbst entsteht, bei­ spielsweise eine zylindrische Oberfläche. Man kann dann fluoreszierende oder retroreflektierende Streifen direkt parallel zueinander aufkleben, wobei dafür Sorge getragen wird, daß die Bereiche zwischen diesen Streifen dunkel sind.

Bei einer Ausführungsvariante wird zur Berücksichtigung der Rollbewegung des Kopfes ein erstes Muster M1 der beschrie­ benen Art verwendet, das entlang der Bezugsachse DR orien­ tiert ist, und ein zweites Muster M2 wird verwendet, das senkrecht zu dem ersten Muster orientiert ist, wie in Fig. 6 gezeigt. Man kann eine einzige solche Konfiguration verwen­ den, oder diese Konfiguration wird mit kleineren Abmessun­ gen als Schachbrettmuster auf einem ebenen Träger 1 wieder­ holt. Durch das Ortungsverfahren können die Orientierung DR und die hierzu senkrechte Orientierung DR₀ des Musters M2 bestimmt werden. Der Rechner kann hieraus die Rollbewegung um die Richtung DR ableiten. Die gleichzeitige Messung des Seitenwinkels über DR und der Rollbewegung des Kopfes über DR₀ verlangt, daß diese beiden Muster innerhalb des Erfas­ sungsfeldes der Kamera bzw. beider Kameras verbleiben. Unter dieser Voraussetzung muß das von der Kamera über­ deckte Bildfeld CH größer sein als ohne Berücksichtigung der Rollbewegung. Die Orientierung der beiden zueinander senkrechten Muster am Helm kann beliebig sein. Konstruk­ tionsbedingt kennt man die Visierrichtung in dem mit dem beweglichen Körper 2 verknüpften Bezugssystem XC, YC, ZC, und man weiß, daß diese Richtung derjenigen eines der Mu­ ster entspricht, das orthogonal zur Richtung des zweiten Musters ist.

Die zweite Ausführungsform mit einer Kamera ist wirtschaft­ licher. Es ist jedoch zu beachten, daß die erste beschrie­ bene Lösung, bei der zwei Kameras verwendet werden, eine höhere Genauigkeit ergibt und im übrigen auch nach dem zweiten Verfahren (Fig. 4) arbeiten kann, was für jede der Kameras gilt, um eine Redundanz bei der Berechnung und Messung zu erhalten und so die Genauigkeit und Zuverlässig­ keit zu steigern.

Claims (10)

1. System zur räumlichen Ortung einer mit einem bewegli­ chen Körper verknüpften Richtung in bezug auf eine Struktur mittels durch den Körper getragenen Emissionseinrichtungen und durch die Struktur getragenen optoelektrischen Detektions­ einrichtungen, um durch Analyse der erfaßten Signale und Be­ rechnung einander schneidende Ebenen zu bestimmen und über die Schnittgeraden dieser Ebenen die aufzufindende Richtung zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrich­ tungen durch wenigstens einen Matrix-Festkörper-Bildaufneh­ mer (3A, 3B) gebildet sind, der mit Ladungsüberführung ar­ beitet und einer Fokussieroptik (6A, 6B) zugeordnet ist, daß die Emissionseinrichtungen (1) durch eine Schar pa­ ralleler Emissionsstreifen (B1, B2 . . .) gebildet sind, die durch dunkle Zwischenbereiche getrennt und an dem Körper parallel zu der aufzufindenden Richtung (DR) angeordnet sind, dergestalt, daß die Abbildung der Streifen auf den Detektoreinrichtungen analysiert werden kann, um wenigstens zwei Schnittebenen (PA, PB) zu bestimmen, die jeweils durch die Abbildung eines beliebigen Streifens (Bj, Bk) und den Mittelpunkt der entsprechenden zugeordneten Optik (OA, OB) bestimmt sind, und ihre Schnittgerade zu bestimmen, die pa­ rallel zu der aufzufindenden Richtung ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen aus fluoreszierendem Material gebildet sind.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen aus einem retroreflektierenden Material gebildet sind und daß die Emissionseinrichtungen ferner eine in Rich­ tung auf die Streifen aussendende Emissionsquelle (15) um­ fassen.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen auf einem Träger aufgeklebt sind, dessen Oberfläche durch die Bewegung einer Mantellinie gebildet ist, wobei die Streifen parallel zu dieser Richtung sind.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dunklen Zwischenbereiche durch eine mattschwarze Lackierung gebildet sind.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es zwei Matrix-Bildaufnehmer (7A, 7B) auf­ weist, die durch mit Ladungsüberführung arbeitende Matrix-Kameras gebildet sind.

7. System nach einem der Ansprüche 3 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kameras mit optischen Filterelementen (5A, 5B) versehen sind, die in einem Wellenlängenbereich wirksam sind, welcher der von der Emissionsquelle ausgehenden Strah­ lung entspricht.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung im Infrarotbereich liegt.

9. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, angewen­ det auf das Visiergerät am Helm eines Flugzeugpiloten, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen an der Flugzeugstruktur (XA, YA, ZA) angebracht sind und die Strei­ fen am Pilotenhelm (2) angeordnet sind.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Streifen direkt auf dem beweglichen Körper (2) angeordnet sind, wobei dieser eine ebene Ober­ fläche oder eine Oberfläche aufweist, die durch Bewegung einer Mantellinie parallel zu sich selbst entsteht.