DE3809538C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Steuerungs- und Leitsystem zum Be
stimmen der Position und Richtung von bewegbaren Maschinen gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Steuer- und Leitsysteme für die vorstehend aufgeführten Geräte - wie
Fahrzeuge und Roboter - sind in vielfältigen Ausführungsformen Stand der
Technik, wie beispielsweise aus der Druckschrift Levi, P.: "Autonome
mobile Roboter", in: Technische Rundschau, Nr. 13, Seiten 126 bis 135
oder aus JP 59-1 36 813 A. in Patents Abstr. of Japan, Sect. P. Vol. 8
(1984), Nr. 269 (P-319) hervorgeht. Hierbei sind Konzeptionen geschaffen
worden, die jeweils nur speziell für ein Gerät bzw. eine Gerätegruppe
entwickelt wurden. Steuer- und Leitsysteme beispielsweise für Flugzeuge
können praktisch nicht für Roboter verwendet werden und umgekehrt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuer- und
Leitsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, das Fahr
zeugen aller Art, Maschinen und Robotern ein genaues Bestimmen der
Orientierung und Position dieser bewegbaren Maschinen bei einfacher und
schneller Signalverarbeitung der empfangenen Signale gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale ge
löst.
In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen
angegeben.
In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen.
Es zeigt
Fig. 1a ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels für ein Steuer- und
Leitsystem in einem Flugzeug,
Fig. 1b ein Diagramm zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1la in verein
fachter Darstellung,
Fig. 2 ein Diagramm bezüglich des Zusammenhanges der Normsichtweite
und der Systemreichweite,
Fig. 3a eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels des verwendeten Sensor
systems mit seinen zahlreichen Detektorelementen,
Fig. 3b einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel entlang der Linie
II-II gemäß Fig. 3a.
Das hier vorgeschlagene Steuerungs- und Leitsystem für Fahrzeuge aller
Art, für Maschinen und Roboter, vermittelt diesen Geräten eine exakte
Orientierung bezüglich ihrer Umgebung oder relativ zueinander unter Zu
hilfenahme optischer Signale und optischer Sensoren zur richtungsabhän
gigen Erfassung solcher Signale. Hierbei kann mit optischen Signalen in
nerhalb und außerhalb des sichtbaren Bereichs gearbeitet werden. Letzte
res ist insbesondere für den militärischen Bereich von Interesse, da es
zum Beispiel das Starten und Landen von Flugzeugen ohne jegliches sicht
bares Licht erlaubt.
Das hier vorgeschlagene System hängt nur bedingt von den atmosphärischen
Sichtverhältnissen ab und wird daher wesentlich weniger durch atmosphä
rische Störungen wie Nebel, Regen oder Schnee beeinträchtigt, als dies
bei herkömmlichen abbildenden Systemen - auch dem menschlichen Auge -
der Fall ist.
Das Kernstück des Steuerungs- und Leitsystems 10 für die vorgeschlagenen
Verwendungsfälle ist ein optischer Sensor 11, der eine richtungsabhängi
ge Erfassung von optischen Strahlungspulsen erlaubt. Durch die Anmelde
rin sind in den DE-PS 33 23 828 und DE-PS 35 25 518 Ausführungsbeispiele
solcher optischer Sensoren bekannt geworden. In beiden Fällen weisen die
Sensoren eine Eingangsoptik nach Art eines Fliegenauges auf, das in eine
Vielzahl von Eingangskanälen unterteilt ist, die von den ankommenden
Lichtimpulsen je nach Ankunftsrichtung belegt werden. Die Winkelauflö
sung dieser Geräte ist sehr hoch und beträgt derzeit bei relativ kleinem
Aufwand etwa 1°, was in 1 km Entfernung einer Ortsauflösung von 17 m
entsprlcht. Bisher werden die zitierten Geräte nur zur Warnung vor
feindlicher Laserstrahlung eingesetzt, die z. B. zum Zwecke der Entfer
nungsmessung auf ein Luft- oder Landfahrzeug abgeschossen werden. Mit
diesen Sensoren ist eine Positionsbestimmung einer beweglichen Maschine
im Raum und die Verwendung dieser Signale zur Bewegungssteuerung dieser
Maschinen in der offenbarten Art nicht möglich. Ebenfalls ist die Durch
führung einer wellenlängenselektiven Strahlungsdetektion, die dem Wellen
längenbereich des Senders angepaßt ist, nicht durchführbar.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung soll anhand eines Ausfüh
rungsbeispiels für ein Luftleitsystem - wie in Fig. 1a und 1b skizziert -
beschrieben werden. Es werden mehrere gepulste, punktuelle Strahlungs
quellen 1-6, beispielsweise Halbleiterlaser oder Leuchtdioden bzw. La
ser, deren Strahl aufgeweitet wird, rechts und links neben der Rollbahn
des Flugfeldes aufgestellt. Ein an einem Flugzeug angeordneter Sensor
kopf 11 registriert die ankommenden Pulse in Abhängigkeit von ihrer
Richtung, woraus die Winkelkoordinaten der Strahlungsquellen 1-6 bzw.
112 bezüglich eines in dem Flugzeug fixierten Koordinatensystems be
stimmt werden. Die so ermittelten Daten können dem Piloten beispielswei
se in analoger Form mittels einer Bildschirmgrafik übermittelt werden,
welche die Begrenzungen der Landebahn in perspektiver Form zeigt und vom
Piloten zur Navigation benutzt werden kann. Die benützte Strahlung muß
in diesem Fall augensicher sein, so daß die Wellenlänge zweckmäßiger
weise im Infrarotbereich nahe dem Sichtbaren liegt. Dies hat den zusätz
lichen Vorteil, daß die Strahlung für das menschliche Auge nicht wahr
nehmbar ist. Da die Strahlung jedoch nicht nach Art eines Laserstrahls
kollimiert, sondern aufgeweitet ist, werden an die Augensicherheit keine
großen Anforderungen gestellt.
Das vorbeschriebene Beispiel läßt sich gewissermaßen "verfeinern", indem
eine zeitliche Korrelation zwischen der zeitlichen Abfolge der Pulse und
der räumlichen Anordnung der Lichtquellen erstellt wird. Dies kann zum
Beispiel dadurch geschehen, daß die Lichtquellen 1-6 durchnumeriert
werden und ihre Pulse in Form einer Sequenz kurz nacheinander in der
Reihenfolge ihrer Numerierung abgeben, wobei diese Sequenz in bestimmten
zeitlichen Abständen wiederholt wird. Für die in Fig. 1 gezeigte Lande
bahn sind sechs Strahlungsquellen 1-6 am Umfang angeordnet. Mit Hilfe
einer derartigen Codierung können an das Flugzeug zusätzliche Informa
tionen übermittelt werden, beispielsweise eine Information über Anfang
und Ende der Landebahn.
Sind nun zusätzlich noch die Entfernungen der Strahlungsquellen 1-6
untereinander bzw. relativ zueinander beispielsweise in einer Datenbank
des Flugzeugs gespeichert, so kann ein Bordcomputer aus den gemessenen
Winkelkoordinaten die genaue Position des Flugzeugs bezüglich der Lande
bahn (Höhe, Flugrichtung, Entfernung und Geschwindigkeit) problemlos in
sehr kurzer Zeit berechnen. Die Verarbeitung der Signale mit Hilfe eines
Computers läßt es weiter zu, zwischen den einzelnen Meßwerten zu inter
polieren bzw. deren Richtigkeit zu überprüfen. Im einfachsten Fall kann
z. B. der Computer aufgrund der Tatsache, daß die Strahlungsquellen 1-3
auf einer Geraden liegen, die aus den gemessenen Winkelwerten berechne
ten Koordinaten mit Hilfe einer Ausgleichsregelung entsprechend korri
gieren. Weiterhin können Laufzeitverschiebungen der Pulse, die sich aus
den unterschiedlichen Entfernungen der Strahlungsquellen 112 vom Flug
zeug ergeben, zu einer Interpolation bzw. Validierung der Meßdaten be
nutzt werden. Aus aufeinanderfolgenden Entfernungsmessungen kann die Ge
schwindigkeit des Flugzeugs berechnet werden.
Auch ein bereits auf der Landbahn befindliches bzw. ausrollendes Flug
zeug kann mit Hilfe der Strahlungspulse weiter über seine augenblickli
che Position auf dem Rollfeld informiert werden, so daß das System hier
als Rollhilfe benutzt werden kann. Dadurch kann beispielsweise verhin
dert werden, daß das Flugzeug bei völliger Dunkelheit von der Rollbahn
abkommt bzw. über das Bahnende hinausfährt.
Hier kann allerdings das Problem auftreten, daß der Sensor 11 nicht mehr
die gesamte Pulssequenz auffaßt. Dies kann jedoch dadurch behoben wer
den, daß dem Flugzeug der Beginn der Sequenz über einen anderen Informa
tionskanal, beispielsweise über Funk etc. mitgeteilt wird oder dadurch,
daß die Strahlungsquellen 112 Doppelpulse abgeben, wobei der erste Puls
jeweils den Beginn der Pulssequenz markiert und die Zeitdifferenz zwi
schen beiden Pulsen die Strahlungsquelle 112 (1-6) kennzeichnet. Für
den Fall einer sehr großen Zahl von Strahlungsquellen mag eine derartige
Codierung durch Zweifachpulse nicht ausreichen, hier wird dann eine Co
dierung durch Mehrfachpulse vorgeschlagen, welche die Kennzeichnung der
Strahlungsquelle 1-n in codierter Form übermitteln.
Wie hier veranschaulicht, ergibt sich aus einer Verarbeitung der empfan
genen Signale mittels Computer eine Fülle von Möglichkeiten, durch un
terschiedliche Codierung der Aufeinanderfolge der Pulse, die von den
Strahlungsquellen 112 abgegeben werden, in Korrelation mit deren räumli
cher Anordnung ein Flugleitsystem zu entwickeln, worauf hier nur in den
Grundzügen eingegangen worden ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß
wegen der möglichen raschen Pulsfolge im Nanosekundenbereich eine sehr
große Zahl von Signalen verarbeitet werden kann, was die differenzierte
Markierung eines großen Flugplatzes erlaubt.
Grundsätzlich eröffnet ein derartiges Flugleitsystem die Möglichkeit,
Flugzeuge ohne menschliche Hilfe vollautomatisch zu starten und zu lan
den. Auch der gesamte rollende und stehende Verkehr auf einem Flugplatz
könnte auf diese Weise vollautomatisch von einem zentralen Computer aus
gesteuert werden. Dazu müßten die einzelnen Flugzeuge ihre aus den emp
fangenen Lichtsignalen errechnete Position und Geschwindigkeit laufend
dem zentralen Computer - z. B. über Funk - übermitteln. Dieser würde dann
in den Besitz aller Daten des gesamten stehenden, rollenden und anflie
genden Verkehrs auf dem Flugplatz gelangen und könnte diesen präzise den
Erfordernissen entsprechend steuern. Dies würde die Fluglotsen ganz we
sentlich entlasten.
Ein weiterer Vorteil des vorbeschriebenen Luftleitsystems besteht darin,
daß es sich gut dazu eignet, einfache mobile bzw. provisorische Flug
plätze oder Landepisten - beispielsweise kurzfristig auf Autobahnen -
einzurichten, indem man entsprechende Strahlungsquellen 112 entlang der
vorgesehenen Landepiste aufstellt. Solche gepulsten Lichtquellen haben
außerdem den Vorteil, daß wegen der Kurzzeitigkeit der Pulse ihr Ener
giebedarf kleiner als bei herkömmlichen Lichtquellen ist.
Im Falle provisorischer Landepisten bietet sich folgende im Aufwand re
duzierte Variante an. Die Strahlungsquellen entlang der Landebahn werden
durch Retroreflektoren ersetzt, die vom Flugzeug aus mit Hilfe einer
gepulsten Strahlungsquelle bestrahlt werden. Der Sensorkopf 11 regi
striert dann die reflektierten Strahlungsblitze, die ebenso wie die di
rekten Strahlungsblitze weiterverarbeitet werden können. Derartige Re
troreflektoren könnten z. B. einfach mit Hilfe von rohen Pfählen in der
Erde verankert werden. Diese Ausführungsform hat allerdings wegen des
geringen Energieaufwandes auch den Nachteil einer geringeren Reichweite
im Falle atmosphärischer Störungen. Außerdem entfällt die Möglichkeit
der zeitlichen Codierung der reflektierten Strahlungsblitze. Letzteres
könnte allerdings zum Teil dadurch kompensiert werden, daß man bei
spielsweise den Beginn der Landepiste durch eine entsprechende örtliche
Anordnung der Reflektoren kennzeichnet.
Retroreflektoren ließen sich auch bei einem mobilen Leitsystem für Hub
schrauber erfolgreich einsetzen, z. B. bei der Installation von Lande
plätzen in schwierigem Gelände, auf Hausdächern oder im Gebirge. Hier
könnte z. B. ein Landeplatz auf einfache und schnelle Weise dadurch mar
kiert werden, daß Retroreflektoren an den Ecken eines Quadrates mit be
kannter Seitenlänge ausgelegt werden. Auf einem derart gekennzeichneten
Landeplatz könnte ein Hubschrauber auch bei völliger Dunkelheit landen.
Auch bei schwierigen Montage- oder Bergungsarbeiten könnte ein derarti
ges Steuerungs- und Leitsystem 10 erfolgreich eingesetzt werden, da es
die Möglichkeit bietet, eine Sollposition des Hubschraubers in der Luft
genau festzulegen und dann durch Steuermaßnahmen festzuhalten bzw. zu
fixieren, welche entweder vom Piloten oder vom Computer eingeleitet wer
den. Dies kann beispielsweise so aussehen, daß der Pilot bei Erreichen
einer bestimmten Position auf einen Knopf drückt, worauf diese Position
vollautomatisch eingehalten und genau ausgesteuert wird. Zur Bergung
Verwundeter in schwierigem Gelände oder bei der Montage überdimensiona
ler, schwerer Bauteile ist das vorgeschlagene System hervorragend geeig
net.
Als weitere Einsatzmöglichkeiten sei das Betanken von Flugzeugen in der
Luft, Rendezvous-Manöver im Weltraum oder ganz allgemeine Problemstel
lungen, bei denen ein bestimmter Punkt oder irgendein Gegenstand genau
angesteuert werden müssen. Die hierzu inverse Problemstellung ist vor
allem in Zusammenhang mit Bodenfahrzeugen interessant, bei denen die
Vermeidung von Auffahrunfällen von großer Wichtigkeit ist. Hier ist es
zweckmäßig, die vorgeschriebene Variante des Prinzips etwas zu modifi
zieren. Retroreflektoren befinden sich ohnehin an nahezu allen Fahrzeu
gen des täglichen Verkehrs. Es geht also lediglich darum, daß diese
nicht nur vom Fahrer eines Fahrzeugs, sondern automatisch erkannt wer
den, um damit menschliche Unzulänglichkeiten auszuschalten. Hierzu ist
ein Gerät, bestehend aus zwei richtungsauflösenden Sensorköpfen und ge
pulster Strahlungsquelle vorzüglich geeignet. Die beiden Sensorköpfe
sind z. B. hinter der Windschutzscheibe rechts und links montiert, der
Pulsgeber beispielsweise in der Mitte. Mit Hilfe des reflektierten
Lichts kann ein Retroreflektor richtungsabhängig erfaßt werden und
gleichzeitig aus der Parallaxe dessen Entfernung bestimmt werden. Die
Relativgeschwindlgkeit zu dem Retroreflektor kann mit Hilfe von Wieder
holungsmessungen bestimmt werden. Ein Mikroprozessor kann nun aus diesen
Daten ermitteln, ob das Fahrzeug unter Beibehaltung der Fahrtrichtung
möglichst unter Berücksichtigung der Stellung der Lenkung mit dem Retro
reflektor kollidieren würde und ob die Relativgeschwindigkeit groß oder
klein ist. Daraus resultierend können dann bei Gefahr dem Fahrer Warnun
gen akustischer oder optischer Art vermittelt werden. Auch eine notwen
dige Bremsung könnte der Computer anhand der Reflektoren an den Straßen
seitenbegrenzungslinien oder an anderen Fahrzeugen ermitteln. Im Extrem
fall ist auch eine automatische Bremsung des Fahrzeugs möglich. Der dem
Fahrzeug zum Zweck des kollisionsfreien Fahrens zugeteilte Freiraum kann
an die Fahrgeschwindigkeit angepaßt werden und wäre z. B. bei langsamer
Fahrt auf einer engen Landstraße oder im Stadtverkehr schmaler als bei
schneller Fahrt auf einer Autobahn. Dadurch werden nämlich unnötige bzw.
eine Überhäufung der Warnsignale vermieden.
Ein weiterer Vorteil dieses Gerätes ist, daß seine Reichweite vor allem
bei gestörter Sicht, z. B. bei Nebel, Regen oder Schnee erheblich größer
als die des Auges ist, wie nachstehend noch erläutert wird. Es ist des
halb möglich, mit einem derartigen Steuerungs- und Leitsystem bei ent
sprechender Auslegung der Strahlungsquellen und der Retroreflektoren
z. B. eine Massenkarambolage bei Nebel aus größerer Entfernung zu erken
nen. Außerdem kann ein derartiges Gerät den Fahrer automatisch zu einer
Verringerung der Fahrtgeschwindigkeit auffordern, oder sogar diese von
selbst regeln, wenn die Sicht reduziert ist. Letzteres kann der Computer
beispielsweise daraus ableiten, daß die Retroreflektoren der Straßenbe
grenzungspfähle nur bis zu einer gewissen Entfernung erkannt werden. Da
durch wird auch eine Geschwindigkeitsreduzierung vor Kurven - zumindest
die Aufforderung hierzu - erreicht. Besonders bei Nachtfahrten läßt sich
so eine Konzeption gut ausführen. Weiterhin ist die Konzeption eines um
fassenden Leitsystems für den Straßenverkehr gegeben, z. B. zur zentralen
Steuerung des gesamten Verkehrs auf einer Autobahn, die dann so ähnlich,
wie diejenige von Flugplätzen ist.
Nachstehend soll noch auf das Prinzip gemäß der vorgeschlagenen Maßnah
men zur Steuerung von Robotern und Maschinen eingegangen werden. Ein na
heliegendes unkompliziertes Anwendungsbeispiel dieser Art besteht bei
spielsweise darin, einen Roboter oder ein Bodenfahrzeug so zu steuern,
daß sich dieses entlang einer bestimmten Bahn, bzw. eines festgelegten
Fahrweges bewegt. Dies läßt sich - auch in relativ unwegsamen Gelände -
dadurch realisieren, daß entlang dieses Weges Retroreflektoren ange
bracht werden, die von einer an dem Fahrzeug oder dem Roboter angebrach
ten Strahlungsquelle gepulst angestrahlt werden.
Eine komplexere Ausführungsform besteht darin, Roboter oder Maschinen zu
steuern, die sich in einem vorgegebenen Areal frei bewegen können und
dort bestimmte Arbeiten zu vollführen haben. In einer ersten Ausfüh
rungsvariante werden charakteristische Stellen des Areals oder für die
Arbeit wesentliche, wichtige Fixpunkte mit Hilfe gepulster Strahlungs
quellen markiert. Die Roboter etc. erkennen diese mit Hilfe ihrer rich
tungsauflösenden Sensoren. Solche Fixpunkte können bestimmte Stellen ei
ner Autokarosserie, welche die Roboter montieren, oder bestimmte Stellen
in einem Lager sein, aus dem der Roboter Teile anliefert.
In einer zweiten Variante werden umgekehrt die Strahlungsquellen an den
Robotern angebracht und Strahlungssensoren an den Fixpunkten des Areals
befestigt. Beide vorbeschriebenen Varianten können durch Reflektoren
oder Retroreflektoren ergänzt werden.
Aber auch die Variante sowohl Strahlungsquellen als auch Sensoren an den
Robotern anzubringen und Fixpunkte des Areals durch Reflektoren zu cha
rakterisieren - oder umgekehrt - ist gegeben. Reflektoren lassen sich
auch problemlos an Werkstücken befestigen, die die Roboter zu bearbeiten
haben, oder irgendwo innerhalb des Produktionsablaufs, mit dem Zweck,
daß die Roboter Position und Orientierung des Werkstücks aus der reflek
tierten Strahlung bestimmen.
Da im Zusammenhang mit der Steuerung von Robotern die benötigten Strah
lungsleistungen klein und die Abstände zwischen den Strahlungsquellen im
allgemeinen nicht übermäßig groß sind, bietet sich vor allem hier eine
Vereinfachung dergestalt an, daß die einzelnen in einem Areal angebrach
ten Strahlungsquellen zentral versorgt werden, indem die Pulse z. B. von
einem zentralen Laser aus über ein System von Lichtleitern zu den ein
zelnen - der Markierung dienenden - Strahlungsquellen geleitet werden
und dort über eine Aufweitoptik an die Umgebung abgegeben werden. Eine
solche Optik kann z. B. durch ein Bündel von Lichtleitern realisiert wer
den, das in umgekehrter Weise arbeitet wie das bekannte Lichtleiterbün
del bei dem zum Stand der Technik zählenden Laserwarnsensor der Anmelde
rin. Zeitliche Sequenzen von Pulsen werden bei dieser Art der Versorgung
durch die unterschiedliche Länge der Lichtleiter 14 (vgl. Fig. 3b) mit Hilfe einer Lauf
zeitverschiebung realisiert. Ebenso werden auf diese Weise Zwei- und
Mehrfachpulse derselben Quelle realisiert, indem diese durch zwei oder
mehrere unterschiedlich lange Lichtleiter angesteuert werden. Es ist aus
vorstehenden Ausführungen ersichtlich, daß die Ausführungsformen und
Kombinationen sehr vielseitig im Sinne der vorgeschlagenen Maßnahmen
konzipierbar sind.
Bei kleineren Geräten ist es wünschenswert, das vorbeschriebene System
möglichst kompakt zu gestalten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß
Sende- und Empfangsoptik dieselbe optische Einrichtung 13, 14 (vgl. Fig. 3a, b) und zwar z. B. das
Lichtleiterbündel des Sensorkopfes sind. Zur Aussendung eines Pulses
wird dieser durch eine Leuchtdiode in die Lichtleitfasern eingespeist,
durch die Verzweigung aufgeweitet und ausgesendet. Beim Empfang des re
flektierten Pulses durchläuft dieser den umgekehrten Weg und wird statt
zur Leuchtdiode zur Photozelle umgeleitet. Diese Ausführungsform kann
mit ein oder mehreren Sensorköpfen arbeiten und falls nur ein Sensorkopf
zur Verfügung steht, kann die Entfernungsmessung mit Hilfe einer Messung
der Laufzeit des Pulses zwischen Sensorkopf und Reflektor problemlos er
folgen.
Abschließend soll noch auf die beschriebenen Leitsysteme eingegangen
werden, die auch bei Nebel, Regen oder sonstigen atmosphärischen Störun
gen funktionstüchtig sind.
Wie bereits erwähnt, ist das hier vorgeschlagene Steuerungs- und Leitsy
stem weit weniger durch atmosphärische Sichtbehinderung wie Nebel, Dunst
oder Regen beeinträchtigt. Dies hat folgende Gründe:
Das von einer Strahlungsquelle abgegebene Licht wird in der Atmosphäre im allgemeinen durch Aerosole gestreut und im gewissen Umfang absor biert. Im Gegensatz zum absorbierten Anteil ändert der gestreute Anteil nur seine Richtung und trägt daher weiter zum gesamten Strahlungstrans port bei. Ist die Wellenlänge des Lichts klein gegenüber den streuenden Teilchen, wie dies z. B. im Sichtbaren und im nahen Infrarot beispiels weise beim Nd-Laser (λ=1.06 µm) der Fall ist, so wird ein großer Anteil der Strahlung nach vorne gestreut. Die Richtungsänderung ist des halb relativ klein und bleibt selbst nach vielen Streuvorgängen auf ei nen Kegel mit etwa 2° Öffnungswinkel beschränkt. Dieser Vorwärtsstreuan teil dominiert den diffusen Streuanteil, der auf einen viel größeren Raumwinkelbereich, nämlich einen Kegel mit etwa 30° Öffnungswinkel ver teilt ist, im Sichtbaren bis zu einer optischen Dicke τ ≅ 32×τ ist das Produkt aus dem Extinktionskoeffizienten σe und dem Abstand L von der Strahlungsquelle, also τ=σeL.
Das von einer Strahlungsquelle abgegebene Licht wird in der Atmosphäre im allgemeinen durch Aerosole gestreut und im gewissen Umfang absor biert. Im Gegensatz zum absorbierten Anteil ändert der gestreute Anteil nur seine Richtung und trägt daher weiter zum gesamten Strahlungstrans port bei. Ist die Wellenlänge des Lichts klein gegenüber den streuenden Teilchen, wie dies z. B. im Sichtbaren und im nahen Infrarot beispiels weise beim Nd-Laser (λ=1.06 µm) der Fall ist, so wird ein großer Anteil der Strahlung nach vorne gestreut. Die Richtungsänderung ist des halb relativ klein und bleibt selbst nach vielen Streuvorgängen auf ei nen Kegel mit etwa 2° Öffnungswinkel beschränkt. Dieser Vorwärtsstreuan teil dominiert den diffusen Streuanteil, der auf einen viel größeren Raumwinkelbereich, nämlich einen Kegel mit etwa 30° Öffnungswinkel ver teilt ist, im Sichtbaren bis zu einer optischen Dicke τ ≅ 32×τ ist das Produkt aus dem Extinktionskoeffizienten σe und dem Abstand L von der Strahlungsquelle, also τ=σeL.
Die Photonen des Vorwärtsstreuanteils werden also auch in relativ dich
ten Medien nur wenig aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt. Es ist
daher möglich, aus einer Messung der Ankunftsrichtung dieser Photonen
innerhalb gewisser Grenzen auch die Richtung zu bestimmen, in der die
Lichtquelle liegt. Dazu ist es nötig, den Vorwärtsstreuanteil von der
übrigen vorhandenen Strahlung zu unterscheiden. Bei herkömmlichen abbil
denden Verfahren ist dies jedoch nicht möglich. Eine herkömmliche Strah
lungsquelle wird daher bereits bei kleinen optischen Dicken meist durch
diffuse Fremdstrahlung z. B. das Sonnenlicht, überstrahlt, so daß sie
nicht mehr zu erkennen ist. Die Situation wird bereits durch Verwendung
monochromatischer Strahlung und eines wellenlängenselektiven Filters am
Sensor wesentlich verbessert, da dadurch die Fremdstrahlung ausgeschal
tet werden kann. Jedoch auch die eigene diffuse Streustrahlung einer
Strahlungsquelle kann bis zu einem gewissen Grad ausgeschaltet werden,
und zwar durch zeitselektive Verarbeitung der ankommenden Pulse. Durch
die Streuvorgänge werden die Photonen nämlich nicht nur aus ihrer ur
sprünglichen Richtung abgelenkt, sie kommen infolge des zurückgelegten
größeren Weges auch später am Empfänger an. Im Falle starker Streuung
empfangen daher die einzelnen Eingangskanäle des Sensors Signale mit un
terschiedlichem zeitlichem Verlauf, wobei der Puls, der von dem direkt
auf die Strahlungsquelle gerichteten Auge empfangen wird, die kleinste
Verbreiterung aufweist. Es ist daher möglich, durch eine Analyse des
zeitlichen Verlaufs der empfangenen Signale die Richtungsauflösung des
Sensorkopfes im Fall atmosphärischer Sichtbehinderung zu verbessern.
Eine grobe Abschätzung der Reichweite LR eines derartigen Systems in
Abhängigkeit von der Normsichtweite VN läßt sich folgendermaßen gewin
nen:
Für den Extinktionskoeffizienten σe gilt im nahen Infrarot bis zu
einem Abstand von einigen km von der Strahlungsquelle näherungsweise die
sogenannte Angströmbeziehung. Aus dieser Beziehung folgt unter der An
nahme, daß die Anordnung entsprechend den vorstehenden Ausführungen bis
zu einer optischen Dicke von τ=σeL ≅ 32 funktioniert, für die
Reichweite:
LR = 32/3.2
In der Fig. 2 ist LR für λ=1.5 µm, also eine bereits augensiche
re Wellenlänge, als Funktion von VN entsprechend dieser Formel gra
phisch angegeben. Wie man sieht, ist LR wesentlich größer als VN und
zwar in dem hier interessierenden Bereich um einen Faktor 12 bis 15. Zu
diesem Resultat ist zu sagen, daß der aus der Literatur (G. C. Moradian,
M. Geller, L. B. Stotts, D. H. Stephens and R. A. Krautwald; "Blue-green
pulsed propagation through fog" - Applied Optics, 18, 429ff (1979))
entnommene Grenzwert 32 für τ als sehr vorläufig zu betrachten ist und
relativ stark von der jeweiligen Aerosolverteilung abhängt, was eine
Korrektur von LR nach oben oder unten bedingen kann. Weiter wurde die
oben diskutierte zeitliche Analyse der ankommenden Signale nicht berück
sichtigt, wodurch sich LR vermutlich erheblich vergrößern läßt. Insge
samt ist jedoch zu erwarten, daß die Reichweite eines hier vorgeschlage
nen Systems erheblich größer als die des menschlichen Auges ist.
Claims (10)
1. Steuerungs- und Leitsystem zum Bestimmen der Position und Rich
tung von bewegbaren Maschinen in bezug zu Objekten im Raum mittels opti
scher Sensoren, dadurch gekennzeichnet,
- - daß entweder an wenigstens einem feststehenden Objekt im Raum ein
Sender und ein optischer Sensor und an wenigstens einer bewegbaren
Maschine ein Reflektor angebracht ist,
oder an wenigstens einer bewegbaren Maschine ein Sender und ein op tischer Sensor und an wenigstens einem festen Objekt ein Reflektor angebracht ist, - - daß der Sender optische Pulse abstrahlt,
- - daß der optische Sensor sich aus einer Vielzahl von jeweils als Ein zelkanal ausgebildeten Eingangsoptiken zusammensetzt, die über un terschiedlich lange Lichtleiter, welche als Verzögerungselemente dienen, zu einem gemeinsamen Detektorelement führen, wobei die Strahlung so gefiltert wird, daß nur der Wellenlängenbereich der ab gestrahlten optischen Pulse durchgelassen wird,
- - daß mittels einer Zeitintervallmeßeinrichtung die Laufzeit der opti schen Signale bestimmt und hieraus der Strahleneinfallwinkel und die Position der bewegbaren Maschine bestimmt werden, und
- - daß aus den erhaltenen Informationen mittels eines Prozessors elek tronische Daten zur vollautomatischen Steuerung der bewegbaren Ma schine weiterverarbeitet werden.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder
die Sensoren (11) die durch atmosphärische Sichtbehinderungen verursach
te zeitliche Deformation der ankommenden Pulse in Abhängigkeit ihrer An
kunftsrichtung registrieren und zu deren genauen Richtungsbestimmung im
Computer verwerten.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Strahlungsquellen (112) monochromatisches Licht abgebende Einrichtungen,
wie beispielsweise Laser- oder Leuchtdioden, verwendet werden und dem
entsprechend der Empfänger auf diese Strahlungsquellen schmalbandig ab
gestimmt ist.
4. System nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
den Strahlungsquellen (112) für eine Strahlungsverteilung in einem wei
ten Raumwinkelbereich Linsensysteme, Spiegel oder Lichtleitfasern (14)
zugeordnet sind.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (112) ihre Pulse in einer be
stimmten zeitlichen Sequenz abgeben, welche in einem bestimmten Zeitab
stand wiederholt wird, wobei eine Korrelation zwischen der zeitlichen
Reihenfolge der Pulse und der räumlichen Anordnung der Strahlungsquellen
so durchgeführt wird, daß die Strahlungspulse den Strahlungsquellen
aufgrund der Reihenfolge in Pulssequenz zugeordnet werden können.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß dem die optischen Informationen der optischen Sen
soren (12, 13) verarbeitenden Computer der Start der Pulssequenz auf ei
nem gesonderten Kommunikationsweg - beispielsweise über Funk, Kabel oder
Lichtleiter - übermittelt wird.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die einzelnen Strahlungsquellen (112) Mehrfachpulse
in Form bestimmter zeitlicher Sequenzen abgeben, durch welche die jewei
lige Strahlungsquelle (112) nach einem bestimmten Code gekennzeichnet
ist, so daß der die Pulse verarbeitende Computer die Strahlungsquelle
identifizieren kann, wobei dies im einfachsten Fall ein Zweifachpuls
nach Art eines Start-Stop-Signals sein kann, dergestalt, daß die Länge
des zwischen den Pulsen liegenden Zeitintervalls zur Kennzeichnung der
Strahlungsquelle dient.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere oder alle Strahlungsquellen (112) zentral
mit Hilfe eines Lichtleitersystems aus Lichtleitfasern (14) versorgt
werden, wobei die Lichtwege zu den einzelnen Quellen unterschiedlich
lang ausgebildet sind, so daß sich infolge der unterschiedlichen Verzö
gerung des von der zentralen Strahlungsquelle abgegebenen Pulses automa
tisch eine entsprechende Pulsfolge ergibt.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die zentral erzeugten Strahlungspulse den einzelnen
Strahlungsquellen (112) über Mehrfachlichtleiter zugeführt werden, wobei
die einzelnen Lichtleitfasern (14) unterschiedlich lang sind, so daß je
de Strahlungsquelle eine bestimmte Pulssequenz zeitlich wiederholt.
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (14) und die Eingangsoptiken auch
zum Senden der Signale verwendet werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3809538A DE3809538A1 (de) | 1988-03-22 | 1988-03-22 | Steuerungs- und leitsystem |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3809538A DE3809538A1 (de) | 1988-03-22 | 1988-03-22 | Steuerungs- und leitsystem |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3809538A1 DE3809538A1 (de) | 1989-10-19 |
DE3809538C2 true DE3809538C2 (de) | 1992-03-19 |
Family
ID=6350329
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE3809538A Granted DE3809538A1 (de) | 1988-03-22 | 1988-03-22 | Steuerungs- und leitsystem |
Country Status (1)
Country | Link |
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GB2272343A (en) * | 1992-11-10 | 1994-05-11 | Gec Ferranti Defence Syst | Automatic aircraft landing system calibration |
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DE10235204A1 (de) * | 2002-08-01 | 2004-02-12 | EMT Ingenieurbüro für Elektro-Mechanische Technologien Dipl.-Ing. Hartmut Euer | Elektro-optische Führungseinrichtung für die automatische Steuerung unbemannter Fluggeräte während der Endphase der Landung |
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JPS6197711A (ja) * | 1984-10-18 | 1986-05-16 | Casio Comput Co Ltd | 赤外線追尾ロボツトシステム |
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-
1988
- 1988-03-22 DE DE3809538A patent/DE3809538A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE3809538A1 (de) | 1989-10-19 |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DEUTSCHE AEROSPACE AG, 8000 MUENCHEN, DE |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |