DE3809538C2 - - Google Patents

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 σ_e und dem Abstand L von der Strahlungsquelle, also τ=σ_eL.

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 L_R eines derartigen Systems in Abhängigkeit von der Normsichtweite V_N läßt sich folgendermaßen gewin­ nen:

Für den Extinktionskoeffizienten σ_e 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=σ_eL ≅ 32 funktioniert, für die Reichweite:

L_R = 32/3.2

In der Fig. 2 ist L_R für λ=1.5 µm, also eine bereits augensiche­ re Wellenlänge, als Funktion von V_N entsprechend dieser Formel gra­ phisch angegeben. Wie man sieht, ist L_R wesentlich größer als V_N 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 L_R nach oben oder unten bedingen kann. Weiter wurde die oben diskutierte zeitliche Analyse der ankommenden Signale nicht berück­ sichtigt, wodurch sich L_R 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.