DE2436641A1

DE2436641A1 - Verfahren, system und vorrichtung zur verfolgung und lagebestimmung eines objektes

Info

Publication number: DE2436641A1
Application number: DE2436641A
Authority: DE
Inventors: Jack Kuipers
Original assignee: POLHEMUS NAVIGATION SCIENCES
Current assignee: POLHEMUS NAVIGATION SCIENCES
Priority date: 1973-07-30
Filing date: 1974-07-30
Publication date: 1975-02-27
Also published as: GB1465134A; IL45177A; JPS5045667A; DE2436641B2; US3868565A; FR2239690B1; SE7409509L; DE2436641C3; IL45177A0; JPS6321157B2; CA1045703A; FR2239690A1; SE396145B; IT1017347B

Description

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Fernsprecher: 51013 · * S5 3012

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München Abholfech 3

Polhemus Navigation Sciences, Inc.

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Burlington, Vermont (USA)

Verfahren, System und Vorrichtung zur Verfolgung und Lagebestimmung eines Objektes

Die Erfindung bezieht sich auf ein System oder Verfahren zur Lagebestimmung oder Verfolgung eines Objektes, wobei ein Vektorfeld, das eine Nutation um eine Achse, die der Richtungsvektor genannt wird, ausführt, dazu benutzt wird, das räumlich entfernte Objekt aufzuspüren oder lagemässig zu bestimmen. Die Erfindung bezieht sich ebenso auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines solchen Nutationsfeldes, insbesondere eines magnetischen Nutationsfeldes, welches

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eine Nutation um eine Achse ausführt, die Richtungsvektor genannt wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein System oder Verfahren, mit dem sowohl die relative Translation, als auch die relative Winkelorientierung das Koordinatensystems des entfernten Objektes relativ zu dem Bezugskoordinatensystem der Vorrichtung,die das Nufcaticnsfeld erzeugt und ausrichtet, bestimmt werden kann.

Die Verwendung von orthogonalen bzw. rechtwinkelig zueinander ausgerichteten Spulen zur Erzeugung und Abtastung magnetischer Felder ist bekannt. Solche Vorrichtungen wurden vor allem auf dem Gebiet der Vermessung magnetischer Felder verwendet, um beispielsweise ein besseres Verständnis ihrer Eigenschaften zu gewinnen. Wenn ein magnetisches Feld ura eine Erzeugerspule durch Verwendung von Abtastspulen sehr genau vermessen werden kann, ist umgekehrt offensichtlich, daß es möglich sein muß, die Lage von Abtästspulen relativ zu den Erzeugerspulen auf der Grundlage des Abtastsignaleü festzulegen. Das dabei auftauchende Problem besteht ,jedoch darin, daß es mehr als eine Lage und/oder Orientierung innerhalb eines üblichen magnetischen Dipolfeldes gibt, welche die gleichen charakteristischen Abtastsignale in einer Abtastspule ergeben. Um ein magnetisches Feld zu diesem Zweck zu verwenden, müssen daher zusätzliche Informationen geschaffen werden.

Ein Versuch zur Gewinnung zusätzlicher Information zu diesem Zweck besteht darin, die Erzeuger und Abtastspulen gegeneinander zu bewegen, wie es in der US-PS 3 644 825 beschrieben ist. Die Bewegung der Spulen erzeugt Veränderungen in dem magnetischen Feld und die sich daraus ergebenden Signale können verwendet werden, um die Richtung der Bewegung oder die relative Lage der Erzeuger- und Abtastspulen zu bestimmen.

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Obwohl diese Lösung einiges der Doppeldeutigkeit der Lagebestimmung auf der Basis des abgetasteten Feldes nimmt, ist die Genauigkeit der Bestimmung abhängig von der relativen Be wegung und kann ohne relative Bewegung überhaupt nicht verwendet werden.

Ein weiterer Versuch,, der vorgeschlagen wurde, um die benötigte zusätzliche Information zu erhalten, trifft die Rotation des magnetischen Feldes_r wie es von Kalmus in "A New Guiding and Tracking System", IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics, März 1962, Seiten 7 bis 10 beschrieben wurde. Um die Entfernung zwischen der Erzeuger- und Abtastspule genau zu bestimmen, erfordert diese Lösung, daß die relative Lage der Spulen zueinander gleich bleibt. Das System kann daher nicht dazu verwendet werden, um sowohl die relative Translation, als auch die relative Orientierung der Erzeuger- und Abtastspulen zu bestimmen.

Obwohl die einschlägige Technik zur Lagebestimmung und Verfolgung entfernter Objekte hoch entwickelt ist, besteht immer noch ein Bedürfnis für einen Weg, die relative Winkelorientierung eines entfernten Objektes zusätzlich zur Lagebestimiüung oder Aufspürung des Objektes zu bestimmen. Es besteht weiterhin ein Bedürfnis für eine Vorrichtung, ein System oder ein Verfahren, das mit Signalen arbeitet, die von einem Fühler abgetastet werden, wobei die Signale von einem Nutationsfeld stammen, das von einer einzigen Vorrichtung erzeugt wurde, und das fähig ist, neben einer andauernden Lagebestimmung oder Verfolgung des entfernten Objnktes und Abtasters, zusätzlich und gleichzeitig eine kontinuierliche Bestimmung der relativen winkelmässigen

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Orientierung des entfernten Objektes und Abtasters vorzunehmen.

Es ist. demnach eine Aufgabe der Erfindung, ein System und Verfahren zu schaffen, das sowohl die relative Translation bzvr. Verschiebung, als auch die relative Orientierung des entfernten Objektes durch Verwendung eines Vektorfeldes bestimmen kann.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung die relative Translation und Orientierung entfernter Objekte durch Verwendung eines Feldes auf kontinuierliche Art und Weise zu bestimmen, so daß die Translation bzw. Verschiebung und Orientierung verfolgt werden kann und daher ständig bestimmbar ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein System und Verfahren zur präzisen Lagebestimmung eines Objektes relativ zu einem Bezugskoordinatensystem von Mitteln zur Erzeugung eines Vektorfeldes zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein System zu schaffen, welches einen Richtungsvektor, der durch ein moduliertes Feld definiert wird, verwendet ., um ein Objekt sehr genau zu verfolgen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung einen Generator bzw. Sender zu schaffen, der fähig zur elektronischen Erzeugung eines Feldes ist, das eine Nutation um einen bestimmten Richtungsvektor ausführt, und das in dem obigen System und Verfahren Verwendung findet.

Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine wirksame Signalübermittlungstechnik zu schaffen, mit welcher die

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Messung der relativen Verschiebung bzw. Translation eines entfernten Objektes ( zwei Winkel) zusätzlich zur gleichzeigen Messung der relativen winkelmässigen Orientierung des entfernten Objektes (drei Winkel) möglich ist. Mit der Erfindung werden daher Mittel geschaffen, um fünf unabhängige Winkelmessungen unter Verwendung nur.einejr Vorrichtung zur Felderzeugung und nur einer Vorrichtung zur Feldabtastung auf dem entfernten bewegten Objekt, durchzuführen.

Die oben angeführten und miteinander in Verbindung stehenden Aufgaben können durch die Verwendung des Systems, Verfahrens und der das Feld erzeugenden Vorrichtung gelöst werden, die nachfolgend beschrieben werden. Die Erfindung basiert auf der Überlegung, daß die einzigen Stellen in einem Dipol-Nutationsfeld, an denen die Feldstärke in ihrer Größe unveränderlich bleibt, entlang der Nutationsachse liegen, die hier der Richtungsvektor genannt wird. Dieses Phänomen erlaubt eine sehr genaue Lagefeststellung oder Verfolgung eines entfernten Objektes, das nicht nur seinen Platz, sondern auch seine winkelmässige Orientierung ändert.

Das erfindungsgemäßes System weist Mittel zur Erzeugung eines gerichteten Nutationsfeldes auf, wie z.B. ein magnetisches Feld, das um einen Richtungsvektor rotiert. Weiterhin sind Mittel an dem entfernten Objekt, das verfolgt oder lagemä'ssig bestimmt v/erden soll, vorgesehen, um das Feld abzutasten.

Wenn das System nur zur Lagebestimmung des Objektes benutzt werden soll, z.B. für kleine Störungen im Richtungswinkel, sind Mittel zur Erzeugung eines Signales vorgesehen, das auf dem abgetasteten Feld beruht, und die Lage des Objektes angibt . Wenn das System dazu verwendet wird, um das Objekt zu verfolgen, werden signalerzeugende Mittel zwischen den

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Abtastmitteln und den felderzeugenden Mitteln eingeschaltet, die ein Signal an die felderzeugenden Mittel abgeben, das auf dem abgetasteten Feld beruht, um den Richtungsvektor des Nutationsfeldes auf die Abtastmittel zu richten bzw. nachzuführen. Vorzugsweise werden orthogonal gerichtete Spulen sowohl zur Erzeugung des Nutationsfeldes, das in diesem Fall ein elektromagnetisches Feld ist, als auch zum Abtasten des resultierenden Feldes verwendet.

Nachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 die Geometrie einer einfachen Koordinaten-Transformation, die eine Rotation genannt wird;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines einzelnen Rotationss-Operators nach Fig. 1, der Auflöser genannt wird;

Fig. 3 einen Schaltkreis, der einem zweidimensionalen magnetischen NutationsfeldfLn der Ebene einen Drehfreiheitsgrad von 360° gibt;

Fig· Aa die Richtungswinkel, die für eine dreidimensionale Ausrichtung definiert werden;

Fig. Ab dea Schaltkreis, der den Ausrichtwinkeln der Fig. Aa entspricht;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines bekannten Systems zur Erzeugung und Abtastung eines magnetischen Feldes;

Fig. 6 eine Darstellung der Signale, die bei dem System nach

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Fig. 5 abgetastet werden;

Fig. 7 die schematische Darstellung eines Systems zur Durchführung der Erfindung, zur Bestimmung der Lage und Orientierung eines Objektes, das sich in einem zvreidimensionalen Raum bewegt;

Fig. 8 die Darstellung der Signale, die in dem System nach Fig. 7 abgetastet werden;

Fig. 9 Darstellung eines vereinfachten zweidimensionalen Systems, bei dem ein Zweispulengenerator und ein Zweispulenabtaster verwendet werden;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems, mit dem die Stellung und die winkelmässige Orientierung eines Objektes bestimmt werden können, das sich frei im zweidimensionalen Raum bewegt; und

Fig. 11 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems, mit dem die Stellung oder Richtung und die relative winkelmässige Orientierung eines Objektes bestimmt werden können, das sich im dreidimensionalen Raum mit bestimmten Einschränkungen bewegen kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines gerichteten, magnetischen Nutationsfeldes entlang eines Richtungsvektors weist wenigstens zwei rechtwinkelig zueinander gelagerte Spulen auf, durch welche die Erregerströme geschickt werden. Dieser Erregerstrom weist normalerweise

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eine bestimmte Trägerfrequenz auf, die mit einem Gleichstromsignal und/oder einem Wechselstromsignal moduliert ist. Diese Modulationsumhüllenden werden nachfolgend nur als Gleichstrom- oder Wechselstrorasignal bezeichnet. Das Wechselstromsignal hat die Nutationsfrequenz. Die Schaltung zur Lieferung eines Gleichstroms durch eine der Spulen und eines Wechselstroms durch wenigstens eine zusätzliche orthogonal gerichtete weitere Spule erzeugt ein magnetisches Nutationsfeld, dessen Richtungsvektor in der Richtung der Achse der Gleichstromspule liegt, oder, besser ausgedrückt, in der Richtung der Achse des Gleichstromfeldes. Die Amplitude der Nutation hängt von der relativen Amplitude des Wechselstrom- und 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, führt die Nutation wünschenswert eine kegelförmige Bewegung um den Richtungsvektor des Feldes aus, 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 weiteren Wechselstromsignals mit einer Phase, die das Quadrat der Phase des ersten Wechselstromsignals beträgt, in einer dritten Spule erzeugt werden, wobei alle drei Spulen in ihrer gegenseitigen räumlichen Anordnung orthogonal ausgerichtet sind.

Sowohl bei dem oben beschriebenen zweidimensionalen, als auch dem dreidimensionalen Nutationsfeld, fällt der Richtungs-

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vektor rait der Richtung der Achse des Gleichstromfeldes zusammen. Um dieses Nutationsfeld richtbar zu machen, müssen Signalaufbereitungsmittel, die als Koordinatentransforraationsschaltung bekannt sind auf ßezugssignale für die Wechselstrom- und Gleichstromerregung einwirken, um dem Nutationsfeld die gevmnschte Richtung zu geben. Nachfolgend wird eine kurze Diskussion der Koordinatentransformation, die als Rotation bekannt ist, als Grundlage . gegeben, um die Prinzipien, welche den Techniken der Erfindung zugrunde liegen, besser verständlich zu machen.

Die Transformierung eines Vektors durch leine Rotation von einem Koordinatensystem bzw. -rahmen in ein anderes Koordinatensystem bzw. -rahmen wird als Auflösung des Vektors von dem einen in das neue Koordinatensystem bezeichnet. Auflösen und Auflösung sind in diesem Zusammenhang Synonyme für Transformieren und Transformation. Der Operator, der die Komponenten eines gegebenen Vektors in einem Koordinatensystem bzw. -rahmen in seine Komponenten in einem anderen Koordinatensystem bzw» -rahmen transformiert, wobei die zwei Koordinatensysteme durch eine einfache Winkeldrehung ineinander übergehen, wird hier als ein Auflöser (Resolver) bezeichnet. Die Gleichungen, für diese Transformation sind folgende:

= x^cosA + y^

sinA

In diesem Fall ist die z^-Achse die Rotationsache. Die Gleichungen werden aus der in Fig. 1 dargestellten Geometrie leicht verständlich. Es muß beachtet v/erden, daß,

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wenn die zwei Komponenten, die von dem Resolver beeinflusst werden; 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 Sinusaundruckec um. Eine geeignete Darstellung für einen Auflöser (Resolver) ist das in Fig. 2 gezeigte Blockbild, wobei in diesem Falle eine um die y-Achse negative Rotation gezeigt ist. Die y~Komponente wird daher von der Transformation nicht beeinflusst.. Diese Tatsache wird in der Darstellung dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente direkt durch den Block durchläuft, wogegen bei einem Block, der die Fig. 1 darstellen würde, die Z_-.-Achse direkt durch den Block durchläuft. Diese Darstellung sollte als ein Signalfluß oder Blockdiagramm für Vektor-· komponenten angesehen werden, das insbesondere zur Beschreibung der Berechnungnstrategie nützlich ist, die erfindung3gemäß angewandt wird.

Das erfindungsgemäßes Verfahren beinhaltet die Erzeugung eines gerichteten Nutationfeldes, das eine Nutation um eine Richtungsvektor genannte Achse ausführt. Im zweidimensional en Fall wirktein einziger Auflöser auf die orthogonalen Wechselstrom- und Gleichstromkompcnenten des Bftzugsnutationsvektors der Erregung ein, um die geeignete Mischung von Wechselstrom und Gleichstrom in jeder der zwei Erzeugerspulen herzustellen, so daß der Richtungsvektor, zusammen mit dem gesamten magnetischen Nutationsfeld-Aufbau so gerichtet ist, daß ein Winkel mit der Bezugs-x-Achse gebildet wird, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Erregung für die zv/ei Erzeugerspulen, die notwendig ist, um den Richtungsvektor in die erforderliche Richtung zu bringen, die durch den Winkel A definiert ist, ist durch folgende Gleichungen bestimmt:

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- ΛΑ - · *U

Erregung für die X-Spule » (Gleichstrom)cosA -

(Wechselstrom)sinA

Erregung für die Y-Spule = (Wechseltrom)cosA +

(Gleichstrom) sin.A

Die Rechenschaltung, die für eine genaue Ausrichtung des magnetischen Nutationsfeldes für den dreidimensionalen Fall dient, arbeitet im wesentlichen nach dem gleichen Prinzip wie im zweidimensionalen Fall. Der B_ezugsnutationsvektor der Erregung besteht jetzt aus drei Komponenten: einem Gleichstrom- und zwei Wechselstromsignalen, die in quadratischer Abhängigkeit stehen. Der Richtungsvektor und dessen gesamter Nutationsmagnetfeldaufbau werden in jede gewünschte Richtung gebracht, die sich durch die Winkelgrößen A und B definieren läßt. Fig. 4 zeigt die Riehtgeometrie und die Rechenschaltung zur Koordinatentransformation; , die nötig ist, um die gewünschte Ausrichtung durch Einwirken auf die gegebenen drei Bezugserregersignale zu erhalten. Eine genauere Erklärung der Koordinatentransformationen, Berechnungen und Anwendungen wird von Kuipers, J. "Solution and Simulation of Certain Kinematics and Dynamics Problems Using Resolvers", Proceedings of the Fifth Congress of the International Association for Analog Computation, Lausanne, Schweiz, 28.8. bis 2.9.1967, Seiten 125 bis 134 beschrieben, worauf hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die Erzeugung eines Feldes, welche 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 Feldkompo-

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nenten lässt sich die Stellung des Objektes relativ zum Richtungsvektor des Feldes bestimmen und daraus die Lage des Objektes. 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 entlang des Richtungsvektors ausgerichtet ist. Dies hat stattgefunden, wenn das ausgewertete Signal, das von dem abgetasteten Nutationsfeld stammt, während des Nutationszyklus sich in seiner Größe nicht verändert. Wenn ein Richtfehler existiert, dann ist die Modulationsamplitude, die in der Zielrichtung abgetastet wird, proportional zur winkelmässigen Abweichung des Objektes vom Richtungsvektor. Genauer gesagt, die relative Phase der abgetasteten und ausgewerteten Signale verglichen mit den Bezugssignalen zur Felderzeugung ist proportional zur Ausrichtung, des Objektes relativ zum Richtungsvektor. Die Modulationsamplitude des abgetasteten und verarbeiteten Signales in Richtung des Richtungsvektors ist proportional zur Winkelab-· weichung vom Richtungsvektor.

Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß der Richtungsvektor das Objekt kontinuierlich verfolgen kann. Dies resultiert in zwei Winkelmessungen, welche 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 Eulersche Winkel definiert (siehe auch die Literaturstelle von Kuiper), die relativ zum Bezugskoordinatensystem des Erzeugers bzw. Generators gemessen werden. Zwei der drei Fehlermesßungen der Winkelorientierung sind proportional zu beliebigen Projektionen der abgetasteten und ausgewerteten Gleichstromfeldkomponenten, die in Koordinatenrichtungen der Ebene existieren, die senkrecht zur Zeigerichtung verläuft und

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die im Betrag größer Null sind. Die dritte Fehlermessung für die Winkelorientierung ist proportional zur relativen Phase der abgetasteten und ausgewerteten Nutationssignale in dieser orthogonalen Fläche, verglichen mit der Bezugserregung der Nutation der Erzeuger- bzw. Generatormittel.

Dieses System, die Vorrichtung zur Erzeugung eines Nutationsfeldes um einen Richtungsvektor und das Verfahren ermöglichen es ein entferntes Objekt sehr genau lagemässig zu bestimmen und zu verfolgen, sowohl hinsichtlich seiner Stellung als auch seiner Winkeiorientierung. Obwohl die Erfindung bei einer großen Vielzahl von Situationen, worin die lagemässige Bestimmung entfernter Objekte oder Nachführung von Koordinaten, zusätzlich zu den Orientferungswinkeln des Objektes erforderlich ist, Anwendung finden kann, ist die Erfindung nach einer bevorzugten Ausführungsform zur Verwendung in der Nachführung der Lage und winkelmässigen Orientierung eines Beobachtungskopfes, insbesondere dessen Sichtlinie für visuell gekoppelte Steuersysteme gedacht. Im Rahmen dieser begrenzten Anwendung ist die Sichtrichtung des Piloten ständig und genau relativ zu den Koordinaten des Flugzeuges definiert. Viele andere Anwendungen, wie z.B. automatische Landung oder Rendezvousmanöver, ferngesteuerte Fahrzeuge, selbsttätig gesteuerte Luft- zu Luftbetankung, Formationskontrolle, etc. sind alles Anwendungen, die in einem weit größeren Bereich arbeiten. Im allgemeinen ist jede Situation, bei der zwei oder mehrere unabhängige Körper oder Koordinatensysteme vorkommen und wobei es erwünscht ist, nicht nur die relative Entfernung oder Lage der Systeme zu messen, zu verfolgen und genau zu kontrollieren, sondern wo es auch erwünscht ist, gleichzeitig und mit der gleichen Vorrichtung eine genaue Messung, Verfolgung und Steuerung der relativen

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Winkelorientierung der beiden Systeme durchzuführen, ein potentieller Anwendungsfall für die Erfindung.

In Fig. 5 sind die Elemente eines bekannten Systems zur Erzeugung und Abtastung eines magnetischen Feldes gezeigt, die nicht dazu verwendet werden können ein Objekt lagemässig und in seiner Orientierung zu bestimmen oder zu verfolgen. Das bekannte System weist einen Magnetfeldgenerator 10 mit einer Spule 12 auf, bei der Kupfer oder ein anderer leitender Draht auf einen magnetischen, vorzugsweise isotrop en Kern 14 gewickelt ist. Eine Stromquelle 16 für den Strom i mit beliebiger Trägerfrequenz ist mit der Spule 12 über die Leitungen 18 und 20 verbunden. Der Abtaster 22 v/eist eine Spule 24 auf, die ebenfalls vorzugsweise auf einen magnetischen isotropen Kern 25 gewickelt ist, wie im Falle der Erzeugerspule 12. Abtastschaltkreise 26 sind mit der Spule 24 über die Leitungen 28 und 30 verbunden.

Beim Gebrauch der bekannten Vorrichtung erzeugt der durch die Spule 12 geleitete Strom i ein magnetisches Feld 32. Die Spule 24 des Abtasters 22 wird an verschiedene Stellen um die Erzeugerspule 12 herum bewegt und die in der Spule 24 induzierten Ströme stellen ein Maß für die Stärke de£; magnetischen Feldes 32 an den verschiedenen Stellen dar. Die Spule 24, dessen Koordinatenachsen 33, 35 und 37 sind, kann in Bezug auf die Bezugskoordinatenachsen 34, 36 und 38, zusätzlich zu einer einfachen Verschiebung der Spule in den Richtungen X, Y und/oder Z, unterschiedliche relative Winkelstellungen durch Drehungen um diese Achsen x, y und/ oder ζ einnehmen.

In Fig. 6 ist das Ausgangssignal und Spule 24 gezeigt, das von der Abtastschaltung 26 für ein gegebenes Feld 32 aufge-

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nommeri wird, das von dem durch die Spule 12 fließenden Strom i erzeugt wird, wenn die Spule 24 um 360° entweder um die y-Aehse 35 oder die z-Achse 37 gedreht wird. Die Spule 24 könnte jedoch an unzählbar 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. Dies demonstriert auf einfache Art und Weise, warum die bekannte Vorrichtung nicht darin verwendet werden kann um eine einzigartige relative Lage oder eine relative Winkelorientierung der Abtastspulen 24 in Bezug auf Spule 12 zu definieren.

In den Fig. 7 und 8 ist Spule 12 gezeigt, welche dem Feld 32 eine Nutation im Sinne einer einfachen Kippbewegung erteilt, die durch Nutationraittel 44 erzeugt v/erden, die mit der Spule 12 über Leitung 46, durch einen vorbestimmten Winkel 48, z.B. 45°_f verbunden sind. Die resultierenden Ausgangskurven, wie sie von der Schaltung 26 abgetastet v/erden, sind in Fig. 8 gezeigt. Die Verschiebung bzw. Translation und Dreh bewegungen sind auf die X-Y Ebene beschränkt. Die Kurven der Fig. 8 zeigen die der Erfindung zugrunde liegende Methode. In Fig. 7 sind zwei aufeinander senkrecht stehende Winkelorientierungen für die Abtastspule 24 gezeigt. In jede dieser beiden Orientierungen wird im allgemeinen eine Wechselstrom- und eine Gleichstromkomponente in Spule 24 induziert. Wenn Spule 24 mit der y-Achse fluchtet, die orthogonal zur Richtungsachse 50 sein soll, besteht das induzierte Signal bei der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz aus einer Wechselstromkomponente vom Wert Null und einer Gleichstromkomponente ebenfalls vom Wert Null. Wenn die Spule 24 mit der x-Achse ausgerichtet ist, die mit der Richtungsachse 50 zusammenfällt, besteht das induzierte Signal aus

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der gesamten Gleichstromkomponente und wiederum einer Wechselstromkomponente vom Wert Null "bei der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz. Die beiden wichtigen Signale zur Bestimmung der relativen Orientierung und Translation bzw. Verschiebung sind das in Spule 24 induzierte Gleichstromsignal, wenn diese in der y-Stellung ist und das Wechselstromsignal in der x-Stellung. Beide sind Null, wie in den ersten beiden Kurven der Fig. 8 dargestellt ist, wenn kein Orientierungs- oder Translationsfehler existiert.

Wenn ein Translations- bzw. Verschiebungsfehler existiert, dann wird die Abtastspule 24 in der x-Stellung ein W_echselstromsignal 47 mit der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz abtasten. Die Größe dieses Signals ist proportional der Größe des Translationsfehlers; seine Phase entweder 0° oder 180° zeigt die Richtung des Fehlers an.

Wenn ein Orientierungsfehler existiert, tastet die Abtastspule 24 in der y-Stellung ein Gleichstromsignal 45 ab. Die Größe und Polung dieses Gleichstromsignals ist ein Maß für die Größe und Richtung des Orientierungsfehlers.

Die Vorrichtung nach Fig. 7 ermöglicht die Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Lage und Orientierung der Spule'24 durch abwechselndes Ausrichten der Spule 24 entlang der x- und y-Achsen, wobei vorausgesetzt wird, daß die Freiheitsgrade der Bewegung der Spule 24 so sind, daß diese abwechselnd mit der x- und y-Achse zusammenfällt. Wenn eine Bewegung in Richtung der X-, Y- und Z-Richtung stattfindet, d.h. in allen drei Dimensionen, dann ist mehr als eine einfache ebene Nutation in der X-, Y-Fläche erforderlich, um die Bewegung zu

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charakterisieren, wie mit größerer Ausführlichkeit nachfolgend beschrieben werden wird. In der X-Y«-Ebene ist es jedoch weit einfacher zwei orthogonal zueinander angeordnete Spulen , wie bei der Vorrichtung nach Fig. 9 zu verwenden, als die Lage der Spule dauernd zu verändern. Spule 24 von Fig. 7 wurde daher durch die orthogonal angeordneten Spulen 52 und 54 ersetzt, die Jede mit Äbtastschaltungen 26 durch Leitungen 56 und 58 bzw. 60 und 62 verbunden sind. Während die Nutation des Feldes 32 in Fig. 7 durch den Winkel 48 durch jede geeignete Methode erreicht werden kann, wie beispielsweise durch Mittel 44, die der Spule 12 in Fig. 7 eine mechanische Nutationsbewegung erteilen, wird diese am besten elektrisch unter Verwendung eines Spulenpaares 64 und 66 erzeugt, die ebenfalls orthogonal zueinander angeordnet sind. Stromquellen 68 und 70 sind mit jeder dieser Spulen durch Leitungen 72 und 74 bzw. 76 und 78 verbunden, wie gezeigt ist, liefert die Stromquelle 68 ein Gleichstromsignal i an Spule 64 und Stromquelle 70 liefert ein Wechselstromsignal, z.B. Msin Wt an Spule 66. Diese Signale können entweder einfache Gleichstrom- und Wechselstromsignale sein, oder können beide einer geeigneten Trägerfrequenz, wie z.B. 10 Kilohertz überlagert sein. In diesen Fällen beziehen sich die Ausdrücke Wechselstrom und Gleichstrom auf die Modulationsumhüllende, die jede Kurve definiert. In jedem Fall wird das sich ergebende Magnetfeld in der Vorrichtung nach Fig. 9 eine Nutation um eine Richtachse 80 ausführen, die immer mit der Achse der Spule 64 zusammenfällt, wenn das Wechselstromsignal in Spule 66 ein alternierendes Magnetfeld erzeugt, das vektoriell zu dem Magnetfeld addiert wird, das vom Gleichstromsignal in Spule 64 erzeugt wird.

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In der Praxis ist ein Objekt, auf dem orthogonal zueinander angeordnete Abtastspulen 52 und 54 befestigt sind, frei zur Bewegung in der Ebene, die durch die Achsen der Spulen definiert ist. Wenn das System zur Nachführung oder Verfolgung des Objektes bestimmt ist, sollten die Erzeugerspulen 64 und 66 die Fähigkeit zur Erzeugung eines Magnetfeldes haben, das eine Nutation um einen Richtungsvektor 80 ausführt, mit einer von Scheitel zu Scheitel gemessenen Winkelnutationsamplitudo 49, wobei der Richtungsvektor 80 nicht mit der Achse der Spule 64 übereinstimmt. Solche Magnetfelder können durch Einspeisung geeigneter Mischungen von Wechselstrom und Gleichstromsignalen in die Spulen 64 und Spulen 66 erzeugt v/erden. Wie bereits früher beschrieben wurde, hängt die Amplitude 49 des Nutationswinkels von der relativen Amplitude dor Bezugsgleichstrom- und Wechselstromquellen 68 bzw. 70 ab. Der Winkel den der Richtungsvektor 80 mit der Bezugs-x-Achse der Spule 64 bildet, wird von dem Mischprozeß bestimmt, der von der Auflöserschaltung durchgeführt wird oder dem Prozeß, der in der zu Fig. 3 gehörenden Beschreibung vorgeschlagen wurde, und der in die Leitungen 72, 74 bzw. 76 und 78 zwischen den Quellen 68 und 70 bzw. Spulen 64 und 66 eingeschaltet wird. Der Auflöser arbeitet mit festgelegten Gleichstrora- und Wechselstrombezugssignalen von den Quellen 68 und 70, sod_aß die aufbereiteten Signale, die vom Auflöser zur Erregung der Erzeugerspulen 64 und 66 ausgehen, nunmehr die Fähigkeit haben, den Richtungsvektor 80 des Nutationsfeldes auf jeden gewünschten Winkel A über volle 360° in Übereinstimmung mit den folgenden Gleichungen einzurichten:

Erregung der Spule 64 » (Gleichstrom)cosA - (Wechselstrom)

sinA

Erregung von Spule 66 = (WechselstromJcosA + (Gleichst rom) sinA

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Um eine ausreichende Information zur Verfolgung bzw. Nachführung der Lage und winkelmässigen Orientierung eines Objektes mit daran angebrachten Abtastspulen 52 und 54 in einer Fläche zu erhalten, sollten die Abtastschaltungen 26 die Fähigkeit haben, nach Durchführung der Koordinatenrotation der in den Abtästspulen 52 und 54 induzierten Signale die Wechselstromfehlerkomponente in dem Richtungs-. vektor und die Gleichstromfehlerkomponente in der Richtung orthogonal zum Richtungsvektor festzustellen. Die relative Phase und Größe des oben erwähnten Wechselstromfehlers ist proportional zur Richtung und Größe des Richtfehlers. Die Polarität und Größe der oben erwähnten Gleichstromfehlerkomponente ist proportional zur Richtung und Größe des Fehlers im berechneten Orientierungswinkel des entfernten Objektes. Diese zwei Fehlersignale, die proportional zum Winkelfehler im Richtwinkel und bzw. zum Winkelfehler im relativen Orientierungswinkel des Objektes sind,—werden dazu verwendet um Korrekturen in der vorausgegangenen Messung dieser zwei Winkel durchzuführen. Der Wechsel in Richtwinkel verschiebt den Richtungsvektor, so lange, bis die Abtastspulen 52 und 54 danach ausgerichtet sind, wobei dann das Wechselstromfehlersignal, gemessen in der Richtung des Richtungsvektors 80 auf Null geht. Der bezeichnete Wechsel, der für den Orientierungswinkel erforderlich ist, verbessert oder korrigiert den berechneten Orientierungswinkel, der die relative Koordinatenbeziehung zwischen dem Koordinatensystem der Erzeugerspulen 64 und 66 und dem Koordinatensystem der Abtastspulen 52 und 54 darstellt. Wenn diese Beziehung in dem Signaljaufbereiter auf geeignete Weise von dem Orientierungswinkelauflöser - o- dargestellt wird, dann wird auch das Gleichstromfehlersignal in der Richtung orthogonal zum Richtungsvektor 80 zu Null werden. Zusammenfassend und mit Bezugnahme auf Fig. 10 wird eine erfindungsgemäße Vor-

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richtiang sum kontinuierlichen Nachführen oder Verfolgen der relativen Stellung oder Richtung und der relativen winkelmässigen Orientierung zwischen zwei unabhängigen Körpern in einer Fläche beschrieben. Die Bezugskoordinaten der Fläche sind definiert von der X-Achse 84 und der Y-Achse 86, die mit den felderzeugenden Spulen 64 bzw. 66 zusammenfallen. Sowohl die Translation bzw. Verschiebung, und auch die Orientierungswinkel werden in Bezug auf dieses Bezugskoordinatensystem gemessen. Die Abtastspulen 52 und 54 sind an einem entfernten sich bewegenden Objekt befestigt und ihre zueinander orthogonal gerichteten Achsen 90 und 92 definieren das Koordinatensystem des Objektes, das sowohl hinsichtlich seiner Lage als auch seiner Orientierung verfolgt werden soll. Um ein Nutationsmagnetfeld zujsrzeugen, das in eine bestimmte Richtung relativ zum festen Koordinatensystem der Erzeugerspulen 64 und 66 gerichtet ist, ist in jeder der Erzeugerspulen eine bestimmte Mischung von Gleichstrom und Wechselstromerregersignalen erforderlich. Der Auflöser 102 bereitet die Bezugserregersignale für Gleichstrom und Wechselstrom auf, die auf den Leitungen 104 und 106 von den Stromquellen 68 bzw. 70 empfangen werden, gemäß einem angenommenen Eingangsrichtwinkel. A 82, so daß geeignet gemischte Auflöserausgangserreger-Signale erzeugt werden, die über Leitungen 108 und 110 an die Erzeugerspulen 64 bzw. gegeben werden. Der Richtungsvektor 80 und sein begleitendes Nutationsfeld sind daher in einem Winkel A in Bezug auf die Bezugs- oder Referenz-X-Achse geneigt. Das erzeugte Nutationsfeld ist nominell in Richtung der Abtastspulen 52 und 54 gerichtet. Die Scheitel-zu-ScheitelAmplitude der Nutation 88 ist festgelegt und beträgt üblicherweise 45 bis 90° und hängt von der relativen Größe der zwei festgelegten Signale für die Gleich- und Wechselstromerregung der Quellen 68 und 70 ab. Es ist klar, daß die in den Abtastspulen 52 und 54 induzierten

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Signale nicht nur vom Richtungswinkel A abhängen, sondern auch vom relativen Orientierungswinkel -^ 94. Aus diesem Grund sind die in den Spulen 52 und 54 induzierten Signale durch Leitungen 112"und 114 mit dem Auflöser 96 verbunden und werden vom Auflöser 96 aufbereitet, wobei der Teil der Wechselstrom- und Gleichstrommischung der beiden Signale abgetrennt oder entmischt wird, der von dem Orientierungswinkel «=3> 94 stammt, wenn dieser größer Null ist. Die zwei Ausgangssignalkomponenten des Auflösers 96 sind durch Leitungen 116 und 118 mit dem Auflöser 98 verbunden, der die Gleichstrom- und Wechselstromsignalmischung weiter entmischt, was nötig ist, um den gewünschten Richtwinkel A 82 zu erhalten. Wenn der angenommene Richtwinkel A und der angenommene Orientierungswinkel ^> korrekt sind, werden die Ausgangskomponenten vom Auflöser 98 völlig entmischt werden. In diesem Falle trägt das nominelle Gleichstrom-Ausgangssignal 120 keinen Wechselstrom-Modulationsfehler, wodurch angezeigt ist, daß kein Richtungsfehler vorhanden ist. Ebenso ist dem nominellen Wechselstromsignal 122 keine Gleichstromkomponente überlagert, wodurch angezeigt ist, daß der berechnete Orientierungswinkel korrekt ist. Im Falle, daß die Winkel *=> . und/oder A inkorrekt sind, was der F_all sein wird, wenn sehr kleine Fehler erwartet werden, wie es beim Arbeiten unter dynamisch wechselnden Umständen auftritt, dann werden die Abtastschaltkreise 26 die Wechselstrom- und Gleichstromfehleranzeigen auf den Leitungen 120 und 122 erhalten, diese auf die Fehler bei der Bestimmung der Winkel ^ und A beziehen und auf den Leitungen 124 und 126 die entsprechenden differentiellen Änderungen dem Winkelmeßkreis 100 zuführen, der sie in den entsprechenden Winkeln aufspeichert. Diese verbesserten Winkelmessungen von ^> und A werden den ge-

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eigneten Auflösern eingegeben, in dieser Ausführungsform in den Leitungen 132, 134 und 136 in einer konstanten Rückführanordnung. Daraus ergibt sich, daß die Korrekturen, die an den Ausgängen 128 und 130 anliegen, die Fehlermessungen der Komponenten 124 und 126 reduzieren. Diese Prinzipien können durch Anwendung des in Fig. 11 gezeigten Systems auf dreidimensionale Anwendungen erweitert werden.

Wie in dem System nach Fig. 10, weist das System nach Fig. 11 Magnetfelderzeug, er spulen 64 und 66 und Magnetfeld abtastende Spulen 52 und 54 auf. Eine dritte magnotfeiderzeugende Spule 158, die wechselseitig orthogonal zu den Spulen 64 und 66 angeordnet ist, und eine dritte magnetfeldabtastende Spule 248, die wechselseitig orthogonal zu den Spulen 52 und 54 angeordnet ist, wird zur Messung der Information in der dritten Dimension vorgesehen. Zur Erleichterung des Verständnisses sind die drei Spulen in jedem Fall räumlich getrennt dargestellt. In V/irklichkeit schneiden sich jedoch die magnetischen Achsen sowohl der Erzeugerspulen als auch der Abtasterspulen in einem wechselseitig orthogonalen Verhältnis, wie es durch die kartesischen Koordinatenachsen 84, 86, 160 bzw. 90, 92, 170 gezeigt ist. Weiterhin wird ein zusätzliches Wechselstrorabezugserregersignal geschaffen, so daß Wechselstrom 1 (AC1) und Wechselstrom 2 in einer quadratischen Beziehung stehen oder 90°-phasenverschoben sind. Sie können als Sinuskurven mit gleicher Amplitude aber 90°-Phasenverschiebung angesehen werden, obwohl die zwei Bezugssignale Wechselstrom 1 und Wechselstrom 2 nicht notwendigerweise in der praktischen Ausführungsform des Systems sinusförmig sein müssen. Es wird wiederum Bezug genommen auf Fig. 4, welche die frühere Diskussion des Koordinatentransformationschaltkreises betrifft und welche die dreidimensionale Riehtgeometrie zeigt. Wie im Falle der in Fig. 10 ge-

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zeigten zweidimensionalen Ausführungsform ermöglicht es die Fähigkeit des Richtvektors 180 in jede Richtung zu zeigen, in welcher die Anordnung der Abtastspulen 52, 54 und 248 sich bewegen kann, ein Nachführen der Abtastspulen. Die Bezugserregersignale für den Gleichstrom (DC), den Wechselstrom 1 (AC1) und den Wechselstrom 2 (AC2) aus den Quellen "68, 70 und 140 definieren ein kegelförmiges Nutationsmagnetfeld 164 um eine Richtachse 180, die mit der Achse der Gleichstromkomponente des Feldes zusammenfällt. Es soll wieder betont werden, daß die Ausrichtung des Wechsels 180 auf elektrische Weise durch eine noch zu beschreibende Schaltung erfolgt, während die Erzeugerspulen 64, 66 und 158 in einer zueinander festen Orientierung verbleiben. Die Gleichstromquelle 68 und die Wechselstrom 2-Quelle 140 sind durch Leitungen 142 und 144 mit dem Auflöser 220 verbunden, dessen Ausgangsleitung 148 zusammen mit der Ausgangsleitung 146 der Viechseistrom 1-Quelle 70 mit dem Auslöser 222 verbunden sind. Die Ausgangsleitungen 154 und 156 leiten die Erregersignale vom Auflöser 222 zu den Erzeugerspulen 64 und 66. Die Erzeugerspule 158 wird über die Leitung 152 vom Ausgang des Auflösers 220 erregt» Die zwei Winkel.A und B der Auflöser 222 und 220 arbeiten daher auf dem Bezugsvektoreingang des Nutationsfeldes, dessen Komponenten die Bezugserregungen der Quellen 68, 70 und 140 sind, so daß der Richtungsvektor 180 und sein begleitendes Nutationfeld in Übereinstimmung mit der in Fig. 4 gezeigten, Geometrie ausgerichtet sind. Der Richtungsvektor 180 zeigt in Richtung des Abtasters, der auf dem entfernten Objekt, das durch das System verfolgt werden soll, angebracht ist. Dieser Abtaster besteht aus drei wechselseitig orthogonal angeordneten Abtastspulen 52, 54 und 248, die auf dem entfernten Objekt befestigt sind und die nach einer bevorzugten Ausführungsform mit den Hauptachsen des ent-

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fernten Objektes übereinstimmen, so daß bei der Bestimmung der Orientierung der Abtasterdreiheit die Orientierung des entfernten Objektes gleichzeitig bestimmt wird. Wie in der Beschreibung des zweidimensionalen Falles, der in Fig. 10 gezeigt ist, hängen die Signale, die in den Abtastspulen 52, 54 und 248 induziert werden von der Orientierung ihrer Abtastkoordinatensysteme ab, die von den wechselseitig zueinander senkrecht stehenden Koordinatenachsen 90, 92 und 170 gebildet werden, relativ zur Richtungsachse 180 und deren zwei orthogonalen Nutationskomponenten des jfU'ta'ti⁰¹¹"" feldes ab. Mit anderen Worten, die besondere Mischung der drei Bezugserregersignale Gleichstrom (DC), Wechselstrom 1 (AC1), und Wechselstrom 2 (AC2) der Quellen 68, 70 und 140, die in jeder der drei Abtastspulen 52, 54 und 248 induziert werden, hängen nicht nur von den zwei Richtwinkeln A und B ab, welche den zusammengesetzten Richtkoordinatentransformationskreis 252 bestimmen, sondern auch von den drei Eulerwinkeln, welche die relative Winkelorientierung des entfernten Objektes definieren und welche den zusammengesetzten Orientierungskoordinatentransformationsschaltkreis 250 bestimmen. Die H^Auptfunktion der zwei Koordinatentransformationsschaltkreise 250 und 252 in der Gesamtrechenstrategie des Systems besteht darin, daß der Transformationsschaltkreis 250 den Teil der Bezugssigna3.mischung entmischt, der in den Abtastspulen induziert wird und der relativen Orientierung des entfernten Objektes zuzurechnen ist und der Roordinatentransformationsschaltkreis 252 den verbleibenden Teil der Bezugssignalmischung entmischt, der sich auf die Richtungswinkel bezieht. Wenn die drei Orientierungswinkel, die den Koordinatentransformations-Schaltkreis 250 definieren und die zwei Richtwinkel, die den Koordinatentransformations-Schaltkreis 252 definieren in geeigneter Weise die physikalische Beziehung zwischen

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don Abtaster- und Erzeugerkoordinatensystemen repräsentieren, dann entsprechen die Signale, die von den Abtastschaltkreisen 26 abgetastet werden, den entmischten Bezugssignalen des Gleichstroms (DC) des Wechselstroms 1 (AC1) und des Wechselstroms 2 (AC2) aus den Quellen 68, 70 bzw. 140.

Die Abtastspulen 54 und 248 sind mit dem Auflöser 224 über die Leitungen 168 und 172 verbunden. Der Ausgang der Abtastspule 52 und ein Ausgang des Auflösers 224 sind mit dem Auflöser 226 über die Leitungen 166 bzw. 174 verbunden. Ein Ausgang des Auflösers 224 und ein Ausgang des Auflösers 226 sind mit dem Auflöser 228 über die Leitungen 176 und 178 verbunden. Die zwei Ausgänge des Auflösers 228 sind mit dem Auflöser 230 über die Leitungen 186 bzw. 188 verbunden. Ein Ausgang des Auflösers 226 und ein Ausgang des Auflösers 230 sind mit dem Auflöser 232 über die Leitungen 184 bzw. 190 verbunden. Ein Ausgang des Auflösers 230 und zwei Ausgänge vom Auslöser 232 stellen die aufbereiteten Signaleingänge der Abtastschaltkreise 26 dar und-werden über die Leitungen 192, 194 bzw. 196 eingespeist. Die mit den drei erwähnten Eingangssignalen, die auf den Leitungen 194, 192 und 196 liegen, arbeitenden Abtastschaltungen 26, tasten deren Abweichungen von den nominell korrekten Werten ab, die den Bezugserregersignalkomponenten 68, 70 und 140 entsprechen sollten. Das Signal, das auf Leitung 194 abgetastet wird, sollte nominal ein Gleichstromsignal sein. Wenn Leitung 194 ein Wechselstromfehlersignal- in der Nutationsfrequenz enthält, dann existiert ein Richtfehler, d.h. daß der Ausrichtvektor 180 nicht genau auf die Abtastspulen 52,54 und 248 gerichtet ist. Der Teil des Wechselstromfehlersignales, der auf Leitung 194 anfällt, die die gleiche absolute Phase wie das Erregersignal 146 aufweist, ist proportional zu einem fehler im Richtwinkel A. Dieser Richtwinkelfehler in A ist mit den Winkelmeß-Schaltkreisen 100 durch Leitung 200 ver~

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bunden. Der Teil des Wechselstromfehlersignals, der auf Leitung 194 liegt und von der selben absoluten Phase, wie das Erregersignal 144 ist, ist dem Fehler im Richtwinkel B proportional. Dieser Fehler im Richtwinkel B wird mit den Winkelmeßschaltkreisen 100 über Leitung 202 verbunden. Das Signal, das auf Leitung .192 erscheint, sollte ein nominelles Wechselstromsignal mit der Nutationsfrequenz sein und kein Gleichstromsignal. Wenn ein Gleichstroiasignal auf der Leitung 192 erscheint, ist dies proportional einem Orientierungswinkelfehler im Winkel γ , welcher der relative Peilwinkel genannt wird. Diesererfasste Fehler im relativen Peilwinkel ^r , ist mit den Winkelmeßschaltkreisen durch Leitung 200 verbunden. Das Signal, dasauf Leitung anliegt, sollte ebenfalls ein nominelles Wechselstromsignal mit der Nutationsfrequenz sein und keinen Gleichstroinanteil enthalten., Wenn immer ein Gleichstromsignal auf der Signalleitung 1$6 erscheint, ist dies proportional einem B'ehler im relativen Orientierungswinkel -O- , welcher der relative Höhenwinkel genannt wird. Dieser Fehler im relativen Höhenwinkel -<s>- . wird den Winkelmeßschaltkreisen 100 über Leitung 206 zugeführt. Wie oben erwähnt wurde, sind die auf den Leitungen 192 und 196 erscheinenden Nominalsignale nicht allein dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wechselstromsignal mit Nutationsfrequenz darstellen, sondern auch dadurch, daß sie in quadratischer Beziehung zu ihren Nominalbezugssignal-Gegenstücken Wechselstrom 1 (AC1) und Wechselstrom (AC2) stehen. Weiterhin ist die Phasendifferenz zwischen dem Signal auf Leitung 192 und der Signalquelle 70 oder alternativ die Phasendifferenz zwischen dem Signal auf Leitung 196 und Signalquelle 140 proportional einem Fehler im relativen Orientierungswinkel φ , der der relative RoIl-

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winkel genannt wird. Dieser Fehler im relativen Rollwinkel φ wird dom Winkelmeßschaltkreis 100 über Leitung 204 eingegeben. Die Funktion der Winkelmeßschaltkreise 100 liegt darin, richtige oder "berichtigte Messungen der zwei Richtwinkel A und B auf den Leitungen 210 und 212 abzugeben, die auf den Winkelfehlern beruhen, die von den Abtastschaltkreisen 26 ermittelt werden. Eine weitere Funktion der Winkelmeßschaltkreise 100 liegt darin, richtige oder korrigierte Messungen der drei relativen Orientierungswinkel (/>,·& und ir auf den Leitungen 214, 216 und 218 zu liefern. Diese andauernd verbesserten Winkelmessungen, „die auf den Leitungen 210, 212, 214, 216 und 218 erscheinen, sind durch 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 feststehenden Rückführanordnung«verbunden. Korrekturen, die von den Winkelmeßschaltkreisen 100 in den betreffenden. Winkeln durchgeführt werden, wirken dahingehend, die Fehlersignale j, die von den Abtastschaltkreisen 26 auf den Leitungen 194, 192 und I96 erscheinen, auf Null zu reduzieren. Es soll erwähnt werden, daß die Folge der Winkel und ihrer zugehörigen Rotationsachsen sowohl für den Richtungskoordinatenschaltkreis 252p als auch für den Orientierungskoordinatentransformationsschaltkreis 250 nicht einzigartig sind. Das heißt, auch andere Winkeldefinitionen und Rotationsfolgen können für jede der zwei Transformationen verwendet werden, vorausgesetzt, sie haben die erforderliche Freiheit zur Ausrichtung und relativen Orientierung.

Es wird weiterhin daraufhin gewiesen, daß die Verwirklichung der Erfindung durch Verwendung bekannter Techniken mit digitalen, analogen oder Hybridschaltungen durchgeführt werden kann.

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Es soll ebenfalls darauf hingewiesen werden, daß, obwohl die Erfindung als ein einzigartiges Überführungssystem mit fünf Freiheitsgraden zwischen zwei räumlich entfernt unabhängigen Koordinatensystemen dient, wobei nur eine Erzeugerquelle in einem der Koordinatensysteme und nur ein Empfänger in dem anderen Koordinatensystem verwendet vird, dieses System leicht erweitert werden kann, um eine Messung aller sechs Freiheitsgrade unter Verwendung von zwei Erzeugermitteln zu erreichen. Die zweiten Erzeugermittel würden oder könnten an einer anderen Stelle im Koordinatensystem der ersten Erzeugermittel angebracht sein und mit den ersten Erzeugermitteln parallel arbeiten, wobei die dritte Translationskoordinate, die des relativen Bereiches durch eine Triangulation unter Verwendung der gleichen Rechentechniken , wie in der Erfindung verwendet, bestimmt werden könnte.

Es soll ebenfalls betont werden, daß der Gegenstand der Erfindung auf einem weiten Anwendungsbereich eingesetzt werden kann, in Bereichen von wenigen Kubikfuß oder weniger bis zu Anwendungen in Bereichen etlicher Kubikmeilen. Es ist nach der obigen Beschreibung klar, daß die Abtastschaltungen intern mit den Komponenten der Bezugserregersignale aus den Quellen 68, 70 und 140 beliefert werden, um die ausgefilterte Abtastfunktion logisch ausführen zu können, die für ihre Abtastschaltungen 26 erforderlich ist.

Die Auflöser, die Teile der Schaltung darstellen,können beispielsweise in Übereinstimmung mit den in den US-Patenten No. 3 187 169 und 2 927 734 hergestellt werden. Die Abtastschaltkreise, können wiederum beispielsweise in Übereinstimmung mit den Lehren des Schaltungsdiagrammes hergestellt werden, das in dem Buch "Electronics Circuit Designers

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Casebook" von Electronics McGraw Hill, No. 14-6 auf Seite 67 dargestellt ist. Die Winkelmeßschaltung kann in Form einer großen Zahl gut bekannter Servomechanismen vom Typ I gewählt v/erden. Es gibt selbstverständlich zahlreiche alternativ erhältliche Konstruktionen für jede dieser Teile, wie dem Fachmann ohne weiteres klar ist.

Es sollte nun offenbar sein, daß das erfindungsgemäße System fähig ist, die eingangs gestellten Aufgaben zur Verfolgung und Lagebestimmung eines entfernten Objektes erfüllen kann. Das System und Verfahren nach der Erfindung verwendet ein Feld zum Zwecke der genauen Bestimmung der Lage und Winkelorientierung eines entfernten Objektes, das relativ zum Koordinantensystem der Vorrichtung liegt, welches das Feld erzeugt. Mit einer zweidimensionalen Nutation dos erzeugten Feldes, können die Richtungs- und Orientierungfewinkel des entfernten Objektes in der Ebene der Nutation bestimmt werden. Mit einer dreidimensionalen Nutation, kann die Richtung und die Orientierung eines entfernten Objektes bestimmt werden.

Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß (a) auch der unverarbeitete Ausgang der Winkelmeßschaltung in bestimmten Situationen in einem offenen System von Nutzen sein kann, obwohl normalerweise für eine genaue Bestimmung der Winkel j>, G und γ der Erzeuger direkt auf die Abtastmittel gerichtet sein muß, und daß (b) die absolute Lage und Orientierung (einschließlich der Entfernung) eines Objektes relativ zur Bezugsquelle durch Verwendung zweier physikalisch getrennter Generatoren, wie sie in Fig. 11 gezeigt sind_;mit geeigneter Eingangs- und Ausgangsschaltung an dem Objekt bestimmt werden kann.

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Obwohl die Erfindung im Detail als ein System zur Verfolgung der Bewegung und winkelmäss igen Orientierung eines Lm allgemeinen- entfernten Objektes beschrieben wurde, ist es dem Fachmann ohne weiteres klar,daß die Erfindung bei einer Vielzahl von Objektbestimmungs-, Nachführ-ungs- und Orientierungs-Vv'.inkelbestimmungen angewandt werden kann. Eine Anwendung, die gegenwärtig noch in der Entwicklungsphase ist, bestellt in der Verfolgung der Bewegung/tirientierung eines Beobachfcungskopfes, oder insbesondere dessen Sichtlinie zur Verwendung in einom visuell gekoppelten Steuersystem. Andere mögliche Anwendungen beispielsweise des zweidimensionalen Systems ergebc-m sich bei verschiedenen Arten des Oberflächentransportes, wie beim Manövrieren von Schiffen, oder bsi der Aufrechterhaltung geeigneter Entfernungen zwischen Personenautos in einem automatisierten öffentlichen Transportsystem.· Andere Flugzeugnavigationsprobleme, die geeignet sind, mit dem System der Erfindung gelöst zu werden, bestehen in der Ausrichtung von Raketensystemen in der Luft, selbsttätigem Kuppeln von Tankerrohrdüse und Aufnehmer bei der Luftbetankung von Flugzeugen, Formationsfliegen, Instrumentenlandung von senkrecht startenden und landenden Flugzeugen und dergleichen.

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Claims

P a ten. t ansprüch e

Ein Objektverfolgungs-System, gekennzeich-η e t durch Mittel zur Ausstrahlung eines gerichteten Nutationsfeldes um einen die Nutationsachse darstellenden Richtungsvektor und an dem Objekt befindliche Mittel zur Abtastung des Nutationsfeldes, das auf einer gegebenenfalls vorhandenen Fehlausrichtung des Richtungsvektors beruht und Mittel zur Ausrichtung des Richtungsvektors auf das Objekt in Übereinstimmung mit dem Fehlersignal.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn et , daß die Mittel zur Ausstrahlung des Felder Mittel zur Erzeugung eines Richtungsvektors mit wenigstens zwei unabhängigen Komponenten aufweisen, die eine Funktion von wenigstens zwei primären Bezugssignalen sind und Mittel zur Transform! examg der primären Bezugssignale in Übereinstimmung mit angenommenen Richtwinkeleingängen enthalten, um den Richtungsvektor in eine Richtung zu lenken, welche den angenommenen Richtwinkeleingängen entspricht, wobei die Abtastmittel aus Mitteln zur Abtastung der Feldkomponenten bestehen, die von dem Nutationsfeld um den Richtungsvektor erzeugt werden und Mitteln zur Transformierung der abgetasteten Komponenten in Übereinstimmung mit den angenommenen Richtwinkeleingängen, um so einen Satz rekonstruierter Bezugssignale zu erhalten und.wobei die Mittel zur Erzeugung der Signale aus Mitteln zum Vergleichen wenigstens einiger der rekonstruierten Bezugssignale mit wenigstens einigen der primären Bezugssignale, zur Erzeugung von Richtwinkelfehlersignalen und zur Änderung der Richtwinkeleingangssignale der Transformierungsmittel in Übereinstimmung damit bestehen, um den Richtfehler auf Null zu bringen.

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3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das richtbare Feld ein elektromagnetisches Feld ist und die Mittel zur Ausstrahlung des Feldes orthogonaler Strahler aufweisen und die primären Bezugssignale ein Gleichstromsignal und ein erstes Wechselstroinsignal sind.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastrnittel aus orthogonalen Abtastern bestehen.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Objekt in zwei Dimensionen frei verschieben und orientieren bzw. verdrehen kann und daß wenigstens zwei orthogonale Ausstrahler und Abtaster jedem der Ausstrahl- und Abtastmittel zugeordnet sind und daß die Ausstrahler und Abtaster in der Fläche der beiden Dimensionen liegen.
6. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Objekt in drei Dimensionen frei verschieben und orientieren bzw. verdrehen kann, wobei drei orthogonale Abtaster und Ausstrahler jedem der Abtast- und Ausstrahlmittel zugeordnet sind unu wobei ein zweites Wechselstromsignal mit quadrierter Phase des ersten Wechselstromsignales, eines der primären Bezugssignale darstellt. ·.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet ,'daß Mittel zur Bestimmung der Orientierung bzw. Verdrehung des Objektes vorgesehen sind.
8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das riehtbare Feld ein elektromagnetisches Feld ist, daß die Ausstrahlungsmittel aus drei orthogonalen Strahlern beßtehen und daß die Abtastmittel drei orthogonale Abtaster beinhalten und daß die primären Bezugssignale ein Gleichstromsignal, ein erstes Wechselstromsignal und ein zweites Wechselstromsignal

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mit quadrierter Phase des ersten Wechselstromsignales ist.
9. System nach Anspruch 8,-dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bestimmung der Orientierung bzw. Verdrehung des Objektes vorgesehen sind, daß die Bestimmungümittel Mittel zur Analysierung zweier der rekonstruierten Bezugssignale enthalten, um die Orientierung in zwei Freiheitsgraden zu bestimmen und Mittel zur Bestimmung der Phasenbeziehung zwischen wenigstens einem primären Bezugswechselstromsignal und dem entsprechenden rekonstruierten Vechselstrombezugssignal vorgesehen sind, um den dritten Fr.eiheitsgrad der Orientierung zu bestimmen.
10. System nach Anspruch 9» dadurch ge kennzeichnet, daß die Richtfehlersignale aus dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Abart des Bezugssignales in einer der rekonstruierten Bezugssignale bestimmt werden, wobei die zwei Freiheitsgrade der Orientierung bzw. Verdrehung durch Erfassen des Vorhandenseins eines Gleichstrorasignals in den anderen beiden rekonstruierten Bezugssignalen bestimmt werden.
11. Ein Objektverfolgungs-Systemnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es Mittel zur Verfolgung der winkelmässigen Orientierung des Objektes beinhaltet, und daß es weiterhin Mittel zur Erzeugung einer Serie von drei primären Bezugssignalen aufweist; erste Mittel zur Transformierung der primären Bezugssignale in Übereinstimmung, mit einer ersten Transformation, die den angenommenen Richtwinkel repräsentiert; Mittel, die drei orthogonal zueinander ausgerichtete Ausstrahler zur Ausstrahlung der transformierten primären Bezugssignale aufweisen; Mittel, die aus drei orthogonalen Abtastern zur Abtastung der transformierten primären Bezugssignale bestehen und besagte Abtastmittel fest mit dem Objekt verbunden sind und zweite Mittel zur Transformie-

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rung der abgetasteten Signale in Übereinstimmung mit einer zweiten Transformation vorgesehen sind, die die Umkehrung eines angenommenen Satzes von Orientierungswinkeln darstellen und dritte Mittel zur Transformierung der abgetasteten Signale in Übereinstimmung mit einer dritten Transformation vorgesehen sind, welche die Umkehrung der ersten Transformation ist und Mittel für einen Vergleich der abgetasteten und transformierten mit den primären Bezugssignalen und gegebenenfalls Änderung der angenommenen Rieht- und Orientierungswinkel.

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