DE2436641B2

DE2436641B2 - Object tracking system

Info

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

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Objektverfolgungssystem, mit Mitteln zum Ausstrahlen eines gerichteten magnetischen Feldes, mit am Objekt befindlichen Mitteln zum Abtasten des Feldes und mit Mitteln zur Ableitung der Fehlausrichtung des Feldes gegenüber den Abtastmitteln aus einem Fehlersignal, wobei die Ausstrahl- und Abtastmitiel aus orthogonal zueinander angeordneten Spulen bestehen.The invention relates to an object tracking system with means for emitting a directional magnetic field, with means located on the object for scanning the field and with means for Deriving the misalignment of the field with respect to the scanning means from an error signal, the Radiation and scanning means consist of coils arranged orthogonally to one another.

Die Verwendung von orthogonal zueinander ausgerichteten Spulen zur Erzeugung und Abtastung magnetischer Felder ist bekannt. Derartige Anordnungen werden vor allem auf dem Gebiet der Vermessung magnetischer Felder verwendet, um z. B. ein besseres Verständnis ihrer Eigenschaften zu gewinnen. Wenn ein magnetisches Feld um eine das Feld erzeugende Spule durch Verwendung von Abtastspulen sehr genau vermessen werden kann, so ist umgekehrt offensichtlich, daß es möglich sein muß, die Lage von Abtastspulen relativ zu den das Feld erzeugenden Spulen auf der Grundlage des Abtastsignals festzulegen. Das dabei auftauchende Problem besteht jedoch darin, daß es mehr als eine Lage und/oder Orientierung innerhalb eines üblichen magnetischen Dipolfeldes gibt, weiche die gleichen charakteristischen Abtastsignale in einer Abtastspule hervorrufen. Um ein magnetisches Feld zu diesem Zweck verwenden zu können, müssen daher zusätzliche Informationen geschaffen werden.The use of orthogonally aligned coils for generation and sampling magnetic fields are known. Such arrangements are mainly used in the field of surveying magnetic fields used to e.g. B. to gain a better understanding of their properties. When a magnetic field around a coil generating the field by using sensing coils very accurately can be measured, it is obvious conversely, that it must be possible, the position of the sensing coils relative to the field generating coils on the Determine the basis of the scanning signal. The problem with this, however, is that it there is more than one position and / or orientation within a common magnetic dipole field, soft cause the same characteristic scanning signals in a scanning coil. To get a magnetic field In order to be able to use it for this purpose, additional information must therefore be created.

In der US-PS 36 44 825 ist eine Möglichkeit beschrieben, zu liiesem Zweck zusätzliche Informationen zu gewinnen, und zwar dadurch, daß die das Feld erzeugenden Spulen und die Abtastspulen gegeneinander bewegt werden. Die Bewegung der Spulen erzeugt Veränderungen im magnetischen Feld, und die sich daraus ergebenden Signale lassen sich verwenden, um die Bewegungsrichtung oder die relative Lage der felderzeugenden Spulen und AbtastspuJen zu bestimmen. Obwohl diese bekannte Lösung der Lagebestimmung auf der Basis des abgetasteten Feldes einiges ihrer Doppeldeutigkeit nimmt, ist die Genauigkeit der Bestimmung abhängig von der Relativbewegung und kann ohne die Relativbewegung überhaupt nicht verwendet werden.In US-PS 36 44 825 a possibility is described for this purpose additional information to win, namely that the field generating coils and the sensing coils against each other be moved. The movement of the coils creates changes in the magnetic field, and the changes The resulting signals can be used to determine the direction of movement or the relative position of the to determine field-generating coils and scanning coils. Although this known solution of orientation takes some of its ambiguity based on the field scanned, the accuracy is the Determination dependent on the relative movement and cannot at all without the relative movement be used.

Eine weitere bekannte Anordnung, um die benötigte zusätzliche Information zu erhalten, betrifft die Rotation des magnetischen Feldes, wie es von Kaimus in »A New Guiding and Tracking System«, IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics, Man: 1962, Seiten 7 bis 10 beschrieben ist. Einen ähnlichen Stand der Technik gibt die US-PS 31 21 228. Um die Entfernung zwischen der felderzeugenden Spule und der Abtastspule genau zu bestimmen, erfordert diese bekannte Lösung, daß die relative Lage der Spulen zueinander gleichbleibt. Das System kann daher nicht dazu verwendet werden, um sowohl die relative Translation als auch die relative Orientierung der felderzeugenden Spulen und der Abtastspulen zu bestimmen.Another known arrangement for obtaining the additional information needed relates to US Pat Rotation of the magnetic field, as described by Kaimus in "A New Guiding and Tracking System", IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics, Man: 1962, pages 7-10. A similar prior art is the US-PS 31 21 228. To the distance between the field generating To determine the coil and the scanning coil exactly, this known solution requires that the relative position of the coils to each other remains the same. The system cannot therefore be used to generate both the relative translation as well as the relative orientation of the field-generating coils and the sensing coils determine.

Obwohl die einschlägige Technik zur Lagebestimmung und Objektverfolgung entfernter Objekte hoch entwickelt ist, besteht immer noch ein Bedürfnis für eine Methode, die relative Winkelorientierung eines entfernten Objektes zusätzlich zur Lagebestimmung oder Aufspürung des Objektes zu bestimmen. Weiterhin besteht ein Bedürfnis für ein System, das mit Signalen arbeitet, die von einer einzigen Abtastanordnung abgetastet werden, wobei die Signale von einem Nutationsfeld stammen, das von einer einzigen Anordnung erzeugt worden ist, und das in der Lage ist, neben einer andauernden Lagebestimmung oder Verfolgung des entfernten Objektes und Abtasters zusätzlich und gleichzeitig eine kontinuierliche Bestimmung der relativen winkelmäßigen Orientierung des entfernten Objektes und Abtasters vorzunehmen.Although the relevant technology for position determination and object tracking of distant objects is high there is still a need for a method of determining the relative angular orientation of a distant To determine the object in addition to determining the position or tracing the object. Farther There is a need for a system that operates on signals received from a single scanning arrangement are sampled, the signals originating from a nutation field produced by a single array has been generated, and that is capable, alongside ongoing orientation or tracking of the distant object and scanner in addition and at the same time a continuous determination of the make relative angular orientation of the distant object and scanner.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein System zu schaffen, mit dem sowohl die relative Translation bzw. Verschiebung als auch die relative winkelmäßige Orientierung des entfernten Objektes durch Verwendung eines Vektorfeldes kontinuierlich bestimmt werden können.It is therefore the object of the invention to create a system with which both the relative translation and Displacement as well as the relative angular orientation of the distant object through use of a vector field can be determined continuously.

Die erfindungSigemäße Lösung besteht darin, ein Objektverfolgungüsystem der angegebenen Art so auszubilden, daß das Feld ein Nutationsfeld mit einer mit dem Richtungsvektor des Feldes zusammenfallen-The solution according to the invention consists in creating an object tracking system of the type specified to train that the field is a nutation field with a coincident with the direction vector of the field-

den Nutationsachse istis the axis of nutation

Weiterbildende Merkmale des erfindungsgemäßen Systems sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developing features of the system according to the invention are specified in the subclaims.

Mit dem erfindungsgemäßen System ist es möglich, die Lage eines Objektes relativ zu einem Bezugskoordinatensystem von Mittein zur Erzeugung eines Vektorfeldes präzise zu bestimmen.With the system according to the invention it is possible to determine the position of an object relative to a reference coordinate system von Mittein to precisely determine the generation of a vector field.

Mit dem erfindungsgemäßen System wird in vorteilhafter Weise eine wirksame Signalubermktlungstechnik geschaffen, mit der die Messung der relativen Verschiebung bzw. Translation eines entfernten Objektes (zwei Winkel) zusätzlich zur gleichzeitigen Messung der relativen winkelmäßigen Orientierung des entfernten Objektes (drei Winkel) möglich ist Das erfindungsgemäße Objekiverfolgungssystem schafft somit die Möglichkeit, fünf unabhängige Winkelmessungen unter Verwendung nur einer Anordnung zur Felderzeugung und nur einer Anordnung zur Feldabtastung auf dem entfernten bewegten Objekt durchzuführen.The system according to the invention is more advantageous An effective signal conversion technique created with which the measurement of the relative displacement or translation of a distant object (two angles) in addition to simultaneously measuring the relative angular orientation of the distant Object (three angles) is possible. The object tracking system according to the invention thus creates the Ability to take five independent angle measurements using just one field generation arrangement and to perform only one arrangement for field scanning on the distant moving object.

Die oben angeführten und miteinander in Verbindung stehenden Vorteile lassen sich durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems erreichen, das nachstehend näher beschrieben werden soll. Die Erfindung basiert auf der Überlegung, daß die einzigen Stellen in einem Dipol-Nutationsfeld, an denen die Feldstärke in ihrer Größe unveränderlich bleibt, auf der Nutationsachse liegen, die hier mit dem Richtungsvektor des Feldes zusammenfällt Dieses Phänomen erlaubt eine sehr genaue Lagebestimmung oder Verfolgung eines entfernten Objektes, das nicht nur seinen Ort, sondern auch seine winkelmäßige Orientierung ändert.The advantages listed above and related to one another can be achieved through the use of achieve the system according to the invention, which will be described in more detail below. The invention is based on the idea that the only places in a dipole nutation field where the field strength is in their size remains unchanged, lie on the nutation axis, which is here with the direction vector of the Field coincides This phenomenon allows a very precise determination of the position or tracking of a distant object that not only changes its location but also its angular orientation.

Wenn das System nur zur Lagebestimmung des Objektes benutzt werden soll, z. B. für kleine Störungen beim Richtungswinkel, sind Mittel zur Erzeugung eines Signals vorgesehen, das auf dem abgetasteten Feld J5 basiert und die Lage des Objektes angibt. Wenn das System zur Objeklverfolgung verwendet wird, so werden signalerzeugende Mittel zwischen der Abtastanordnung und der felderzeugenden Anordnung eingeschaltet, die ein auf dem abgetasteten Feld basierendes Signal an die felderzeugende Anordnung abgeben, um den Richtungsvektor des Nutationsfeldes auf die Abtastanordnung auszurichten bzw. nachzuführen.If the system is only to be used to determine the position of the object, e.g. B. for small disturbances in the case of the direction angle, means are provided for generating a signal which is based on the scanned field J5 and indicates the location of the property. If the system is used for object tracking, so signal-generating means are switched on between the scanning arrangement and the field-generating arrangement, which emit a signal based on the scanned field to the field-generating arrangement in order to to align or track the direction vector of the nutation field on the scanning arrangement.

Das erfindungsgemäße System soll im folgenden an Hand der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt inThe system according to the invention is to be used in the following on the basis of the description of various embodiments will be explained in more detail with reference to the schematic drawing. The drawing shows in

Fig. 1 die Geometrie einer einfachen Koordinatentransformation, die als Rotation bezeichnet wird,1 shows the geometry of a simple coordinate transformation, which is called rotation,

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines einzelnen Rotations-Operators, eines sogenannten Resolvers, für eine Rotation nach Fig. 1,F i g. 2 is a block diagram of a single rotation operator, a so-called resolver, for a Rotation according to Fig. 1,

F i g. 3 eine Schaltungsanordnung für ein zweidimensionales magnetisches Nutationsfeld mit einer Rotationsfreiheit von 360° in einer Ebene, «F i g. 3 shows a circuit arrangement for a two-dimensional magnetic nutation field with a freedom of rotation of 360 ° in one plane, "

F i g. 4a die Definition der Richtungswinkel für eine dreidimensionale Ausrichtung,F i g. 4a the definition of the directional angles for a three-dimensional alignment,

Fig.4b eine Schaltungsanordnung, die den Richtungswinkeln nach F i g. 4a entspricht,4b shows a circuit arrangement which shows the directional angles according to FIG. 4a corresponds,

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines bekannten Systems zur Erzeugung und Abtastung eines magnetischen Feldes,F i g. 5 is a schematic representation of a known system for generating and scanning a magnetic field,

Fig.6 eine Darstellung der bei dem System nach F i g. 5 abgetasteten Signale,6 shows a representation of the in the system according to F i g. 5 sampled signals,

F i g. 7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung der Lage und Orientierung eines Objektes, das sich in einem zweidimensionalen Raum bewegt,F i g. 7 shows a schematic representation of the system according to the invention for determining the position and FIG Orientation of an object moving in a two-dimensional space,

F i g. 8 eine Darstellung der beim erfindungsgemäßen System nach F i g. 7 abgetasteten Signale.F i g. 8 is a representation of the in the invention System according to FIG. 7 sampled signals.

Fig.9 eine Darstellung eines vereinfachten zweidimensionalen Systems, wobei sowohS die felderzeugende Anordnung als auch die Abtastanordnung jeweils zwei Spulen aufweisen,9 shows a representation of a simplified two-dimensional Systems, with both the field-generating arrangement and the scanning arrangement in each case two Have coils,

F i g. 10 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung der Lage und Orientierung eines Objektes, das sich im zweidimensionalen Raum frei bewegt und inF i g. 10 is a schematic representation of the invention System for determining the position and orientation of an object that is in two-dimensional Moving space freely and in

F i g. 11 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems, mit dem sich die Lage oder Richtung und die relative winkelmäßige Orientierung eines Objektes bestimmen lassen, das sich im dreidimensionalen Raum mit bestimmten Einschränkungen bewegen kann.F i g. 11 a schematic representation of the invention System with which the position or direction and the relative angular orientation an object can be determined that is in three-dimensional space with certain restrictions can move.

Das erfindungsgemäße System zur Erzeugung eines gerichteten, magnetischen Nutationsfeldes längs eines Richtungsvektors weist mindestens zwei orthogonal zueinander angeordnete Spulen auf, durch welche felderzeugende Ströme geschickt werden. Der felderzeugende Strom weist normalerweise eine bestimmte Trägerfrequenz; auf, die mit einem Gleichstromsignal und/oder einem Wechselstromsignal moduliert ist. Diese Modulationsumhüllenden werden nachfolgend nur als Gleichstrom- oder Wechselstromsignal bezeichnet. Das Wechselstromsignal hat die Nutationsfrequenz. Die Schaltungsanordnung zur Lieferung eines Gleichstromes durch eine der Spulen und eines Wechselstroms durch wenigstens eine weitere, orthogonal angeordnete Spule erzeugt ein magnetisches Nutationsfeld, dessen Richtungsvektor in der Richtung der Achse der vom Gleichstrom durchflossenen Spule liegt, oder besser ausgedrückt, in der Richtung der Achse des Gleichstromfeldes. Die Amplitude der Nutation hängt von der relativen Amplitude des Wechselstromsignals und des Gleichstromsignals ab, die in den meisten Fällen mit gleicher Amplitude gewählt werden. Wenn das Objekt sich nur in zwei Dimensionen bewegen kann, braucht die Nutation nur ein einfaches Hin- und Herkippen in der Bewegungsebene zu sein. Dies kann durch ein Gleichstromsignal in einer der Spulen und ein Wechselstromsignal in der zweiten Spule erzeugt werden, wobei die Spulen beide in der Bewegungsebene liegen. Wenn sich das Objekt im dreidimensionalen Raum bewegen kann, ist es zweckmäßig, wenn die Nutation eine Bewegung auf einem Kegelmantel um den Richtungsvektor des Nutationsfeldes ausführt, wobei der Scheitel des Kegels am Schnittpunkt der Spulen liegt. Ein solches Nutationsfeld kann durch die Kombination eines Gleichstromsignals in einer der Spulen, eines Wechselstromsignals in einer zweiten Spule und eines Wechselstromsignals mit einer Phase, die gleich dem Quadrat der Phase des ersten Wechselstromsignals ist, in einer dritten Spule erzeugt werden, wobei sämtliche drei Spulen in ihrer gegenseitigen räumlichen Anordnung orthogonal zueinander ausgerichtet sind.The system according to the invention for generating a directed, magnetic nutation field along a Direction vector has at least two orthogonally arranged coils through which field-generating currents are sent. The field-generating current usually has a certain Carrier frequency; which is modulated with a direct current signal and / or an alternating current signal. These modulation envelopes are referred to below only as direct current or alternating current signals. The AC signal has the nutation frequency. The circuit arrangement for supplying a direct current through one of the coils and an alternating current through at least one further, orthogonally arranged Coil generates a magnetic nutation field whose direction vector is in the direction of the axis of the dated Direct current flowing through the coil lies, or better expressed, in the direction of the axis of the direct current field. The amplitude of the nutation depends on the relative amplitude of the AC signal and the DC signal from, which are selected in most cases with the same amplitude. If the object can only move in two dimensions, nutation only needs to be tilted back and forth in to be the plane of movement. This can be done by a DC signal in one of the coils and a AC signal can be generated in the second coil, the coils both in the plane of movement lie. If the object can move in three-dimensional space, it is useful if the Nutation executes a movement on a cone surface around the direction vector of the nutation field, the apex of the cone being at the intersection of the coils. Such a nutation field can be achieved by Combination of a direct current signal in one of the coils, an alternating current signal in a second Coil and an AC signal having a phase equal to the square of the phase of the first AC signal is to be generated in a third coil, with all three coils in their mutual spatial arrangement are aligned orthogonally to one another.

Sowohl bei dem oben beschriebenen, zweidimensionalen als auch dem dreidimensionalen Nutationsfeld fällt der Richtungsvektor mit der Richtung der Achse des Gleichstromfeldes zusammen. Um dieses Nutationsfeld ausirichten zu können, müssen Signalverarbeitungsanordnurigen, die als Koordinatentransformationsanordnungen bekannt sind, auf Bezugssignale für die Wechselstrom- und Gleichstromerregung einwirken, um dem Nutationsfeld die gewünschte Richtung zu geben. Um die dem erfinduneseemäßenBoth in the two-dimensional as well as the three-dimensional described above In the nutation field, the direction vector coincides with the direction of the axis of the direct current field. In order to be able to align this nutation field, signal processing arrangements, which are known as coordinate transformation arrangements are known to act on reference signals for the AC and DC excitation to give the nutation field the desired To give direction. To the inventive

System zugrunde liegende Technik besser verständlich zu machen, wird nachstehend eine kurze Diskussion einer als Rotation bekannten Koordinatentransformation als Grundlage angegeben.To make the underlying technology easier to understand, a brief discussion is given below given as the basis of a coordinate transformation known as rotation.

Die Umsetzung eines Vektors durch reine Rotation von einem Koordinatensystem in ein anderes Koordinatensystem wird generell als Transformation des Vektors von dem einen in das neue Koordinatensystem bezeichnet. Der Operator, der die Komponenten eines gegebenen Vektors in einem Koordinatensystem in seine Komponenten in einem anderen Koordinatensystem transformiert, wobei die zwei Koordinatensysteme durch eine einfache Winkeldrehung ineinander übergehen, wird hier als ein Resolver bezeichnet. Die Gleichungen für diese Transformation sind folgende:The conversion of a vector by pure rotation from one coordinate system to another coordinate system is generally used as a transformation of the vector from the one to the new coordinate system designated. The operator that expresses the components of a given vector in a coordinate system in transforms its components in a different coordinate system, the two coordinate systems merge into each other by a simple angular rotation is referred to here as a resolver. the Equations for this transformation are as follows:

X₂ = ΑΙ cos A -r >i sin A
J2 = y\ cos A — X\ sin A X ₂ = ΑΙ cos A -r> i sin A
J2 = y \ cos A - X \ sin A

Z₂ = Z₁ ,Z ₂ = Z ₁ ,

wobei die z\ -Achse die Rotationsachse ist. Die Gleichungen sind aus der in F i g. 1 wiedergegebenen Geometrie leicht verständlich. Zu beachten ist dabei, daß dann, wenn die beiden von dem Resolver beeinflußten Komponenten positiv sind, die erste Komponente des positiven Paares immer den positiven Sinusausdruck hat, wenn der Rotationswinkel positiv ist. Wenn der Rotationswinkel negativ ist, kehrt sich das Vorzeichen des Sinusausdruckes um. Eine geeignete Darstellung für einen Koordinatentransformator oder Resolver ist das in F i g. 2 gezeigte Blockschaltbild, wobei in diesem Falle eine negative Rotation um die y-Achse vorliegt. Die y-Komponente wird daher von der Transformation nicht beeinflußt. Diese Tatsache kommt in der gezeigten Darstellung dadurch zum Ausdruck, daß die Komponente direkt durch den Block hindurchläuft, während bei einem Block, der die Konstellation nach F i g. 1 darstellte, die z_rAchse direkt durch den Block hindurchliefe. Diese Darstellung ist als ein Signalfluß oder Blockdiagramm für Vektorkomponenten anzusehen, das zur Beschreibung der erfindungsgemäß angewandten Berechnungsstrategie besonders nützlich ist.where the z \ -axis is the axis of rotation. The equations are derived from the in FIG. 1 reproduced geometry easy to understand. It should be noted that if the two components influenced by the resolver are positive, the first component of the positive pair always has the positive sine term if the angle of rotation is positive. If the angle of rotation is negative, the sign of the sine term is reversed. A suitable representation for a coordinate transformer or resolver is that in FIG. 2, in which case there is a negative rotation about the y-axis. The y-component is therefore not influenced by the transformation. This fact is expressed in the illustration shown in that the component runs directly through the block, while in the case of a block which has the constellation according to FIG. 1, the z _r axis ran right through the block. This representation is to be viewed as a signal flow or block diagram for vector components, which is particularly useful for describing the calculation strategy used according to the invention.

Beim erfindungsgemäßen System wird ein gerichtetes Nutationsfeld erzeugt, das ene Nutation um eine mit dem Richtungsvektor zusammenfallende Achse ausführt. Im zweidimensionalen Fall wirkt ein einziger Resolver auf die orthogonalen Wechselstrom- und Gleichstromkomponenten des Bezugsvektors der Nutationserregung ein, um die geeignete Mischung von Wechselstrom und Gleichstrom in jeder der zwei felderzeugenden Spulen herzustellen, so daß der Richtungsvektor zusammen mit der gesamten Struktur des magnetischen Nutationsfeldes so gerichtet ist, daß ein Winkel mit der A"-Achse als Bezugsachse gebildet wird, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. Die Erregung für die beiden felderzeugenden Spulen, die notwendig ist um den Richtungsvektor in die erforderliche, durch den Winkel A definierte Richtung zu bringen, ist durchn folgende Gleichungen bestimmt:In the system according to the invention, a directional nutation field is generated which nutation about an axis coinciding with the direction vector. In the two-dimensional case, a single resolver acts on the orthogonal AC and DC components of the reference vector of the nutation excitation to produce the appropriate mix of AC and DC in each of the two field-generating coils so that the directional vector along with the overall structure of the nutation magnetic field is directed is that an angle formed with the a 'axis as the reference axis, as g in F i. 3 is illustrated. the excitation for the two field generating coils, which is necessary as defined by the direction vector in the required, by the angle a Direction is determined by the following equations:

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

wobei mit DC die Gleichstrom- und mit AC die Wechselstromkomponente bezeichnet sind.where DC is the direct current component and AC is the alternating current component.

Die Rechenschaltung, die zur genauen Ausrichtung des magnetischen Nutationsfeldes für den dreidimensionalen Fall dient arbeitet im wesentlichen nach dem gleichen Prinzip die im zweidimensionalen Fall. Der Bezugsnutationsvektor der Erregung besteht jetzt au« drei Komponenten, nämlich einem Gleichstromsignal und zwei Wechselslromsignalen, welche in quadratischer Abhängigkeit stehen. Der Richtungsvektor und dessen gesamte Struktur des Nutationsmagnetfeldes werden in jede gewünschte Richtung gebracht, die sich durch die Winkelgrößen A und B definieren läßt. Die F i g. 4a und 4b zeigen die Richtungsgeometrie und die zur Koordinatentransformation erforderliche Rechnungsschaltung, um die gewünschte Ausrichtung durch Einwirken auf die drei gegebenen Bezugssignale der Erregung zu erhalten. Hinsichtlich einer genaueren Erläuterung von Koordinatentransformationen, Berechnungen und Anwendungen darf auf J. K u i ρ e r sThe arithmetic circuit which is used for the precise alignment of the magnetic nutation field for the three-dimensional case works essentially on the same principle as that in the two-dimensional case. The reference nutation vector of excitation now consists of three components, namely a direct current signal and two alternating current signals, which have a quadratic dependence. The direction vector and its entire structure of the nutation magnetic field are brought into any desired direction, which can be defined by the angular sizes A and B. The F i g. 4a and 4b show the directional geometry and the calculation circuit required for coordinate transformation in order to obtain the desired orientation by acting on the three given reference signals of excitation. For a more detailed explanation of coordinate transformations, calculations and applications, J. K ui ρ ers

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

Das erfindungsgemäße System beinhaltet die Erzeugung eines Nutationsfeldes, das eine Nutation um einen Richtungsvektor ausführt. Das erzeugte Feld wird in wenigstens zwei Achsen auf dem zu verfolgenden oder lagemäßig zu bestimmenden Objekt abgetastet. Aus der ausgewerteten Beziehung zwischen den in jeder der orthogonalen Achsen abgetasteten Feldkomponenten läßt sich die Stellung des Objektivs relativ zum Richtungsvektor des Feldes und daraus die Lage des Objektes bestimmen. Um das Objekt zu verfolgen, wird der Richtungsvektor des Nutationsfeldes bewegt, bis das in zwei Achsen abgetastete Feld, nach geeigneter Auswertung der Koordinatentransformation, anzeigt daß das Objekt längs des Richtungsvektors ausgerichtet ist. Dies ist dann der Fall, wenn das ausgewertete Signal das von dem abgetasteten Nutationsfeld stammt während des Nutationszyklus sich hinsichtlich seiner Größe nicht verändert. Wenn ein Richtungsfehler existiert, so ist die Modulationsamplitude, die in der Richtung des Richtungsvektors abgetastet wird, proportional zur winkelmäßigen Abweichung des Objektes vom Richtungsvektor. Genauer gesagt ist die relative Phase der abgetasteten und ausgewerteten Signale verglichen mit den Bezugssigr.alen zur Felderzeugung, proportional zur Ausrichtung des Objektes relativ zum Richtungsvektor. Die Modulationsamplitude des abgetasteten und ausgewerteten Signals in Richtung des Richtungsvektors ist proportional zur Winkelabweichung vom Richtungsvektor.The inventive system includes the generation of a nutation field that a nutation around a Direction vector executes. The generated field is in at least two axes on the or to be tracked object to be determined positionally scanned. From the evaluated relationship between the in each of the orthogonal axes scanned field components can be the position of the lens relative to the Determine the direction vector of the field and from this the position of the object. To track the object, will the direction vector of the nutation field moves until the field scanned in two axes, according to more suitable Evaluation of the coordinate transformation, indicates that the object is aligned along the direction vector is. This is the case when the evaluated signal that originates from the scanned nutation field during the nutation cycle Size not changed. If there is a directional error, the modulation amplitude specified in the Direction of the direction vector is scanned, proportional to the angular deviation of the object from the direction vector. More precisely, it is the relative phase of the sampled and evaluated signals compared to the reference signals for field generation, proportional to the orientation of the object relative to the direction vector. The modulation amplitude of the sampled and evaluated signal in the direction of the direction vector is proportional to the angular deviation from the direction vector.

Aus der obigen Erläuterung ergibt sich, daß der Richtungsvektor das Objekt kontinuierlich verfolgen kann. Dies resultiert in zwei Winkelmessungen, die die Lage des Objektes definieren. Die Bestimmung der winkelmäßigen Orientierung des Objektes ist jedoch davon völlig unabhängig. Die Orientierung des Objektes wird im allgemeinen durch drei Euler'sche Winkel definiert (vgl. auch die Literaturstelle von J. K u i ρ e r) die relativ zum Bezugskoordinatensystem der felderzeugenden Anordnung gemessen werden. Zwei der drei Messungen der Fehlausrichtung der Winkelorientierung sind proportional zu beliebigen, von Null verschiedenen Projektionen der abgetasteten und ausgewerteten Gleichstromfeldkomponenten in den Koordinatenrichtungen derjenigen Ebene, die senkrecht zur Richtung des Richtungsvektors verläuft Die dritte Messung des Fehlersignals für die Winkelorientierung ist proportional zur relativen Phase der abgetasteten und ausgewerteten Nutationssignale in dieser orthogonalen Ebene, verglichen mit der Bezugsnutationserregung der felder-From the above explanation it can be seen that the direction vector continuously tracks the object can. This results in two angle measurements that define the position of the object. The determination of the however, the angular orientation of the object is completely independent of this. The orientation of the object is generally defined by three Euler angles (cf. also the reference by J. K u i ρ e r) which are measured relative to the reference coordinate system of the field-generating arrangement. Two of the three Measurements of misalignment of angular orientation are proportional to any non-zero Projections of the scanned and evaluated direct current field components in the coordinate directions the plane perpendicular to the direction of the direction vector The third measurement of the Error signal for the angular orientation is proportional to the relative phase of the scanned and evaluated Nutation signals in this orthogonal plane, compared with the reference nutation excitation of the field

zeugenden Anordnung.procreative arrangement.

Dieses System zur Erzeugung eines Nutationsfeldes um einen Richtungsvektor ermöglicht es, ein entferntes Objekt sehr genau lageinäßig zu bestimmen und zu verfolgen, sowohl hinsichtlich seiner Stellung als auch ■> seiner Winkeloricnticrung. Obwohl das System bei einer großen Vielzahl von Situationen, bei denen die lagemäßige Bestimmung entfernter Objekte oder die Nachführung von Koordinaten zusätzlich zu den Orientierungswinkeln des Objektes erforderlich ist, Anwendung finden kann, ist das System bei einer bevorzugten Ausfüiirungsform zur Verwendung für die Nachführung der Lage und winkelmäßigen Orientierung eines Bcobachtungskopfes, insbesondere seiner Sichtlinie für visuell gekoppelte Steuersysteme, gedacht. Im Rahmen dieser begrenzten Anordnung ist die Sichtrichtung eines Piloten ständig und genau relativ zu den Koordinaten eines Flugzeuges definiert. Eine Reihe anderer Anwendungen, wie z. B. automatische Landungen oder Rendezvousmanöver, ferngesteuerte Fahrzeuge, selbsttätig gesteuerte Luft-zu-Luft-Betankung, Formationskonlrollc etc., sind alles Anwendungen, die in einem weil größeren Bereich arbeiten. Im allgemeinen ist jede Situation ein potentieller Anwendungsfall für das erfindungsgemäße System, bei der zwei oder mehr unabhängige Körper oder Koordinatensysteme vorhanden sind und bei der es erwünscht ist, nicht nur die reiativc Entfernung oder Lage der Systeme zu messen, zu verfolgen und genau zu kontrollieren, sondern auch gleichzeitig und mit derselben Vorrichtung eine genaue w Messung, Verfolgung und Steuerung der relativen Winkeloricntic! ung der beiden Systeme durchzuführen.This system for generating a nutation field around a direction vector enables a distant object to be determined and tracked very precisely in terms of its position, both with regard to its position and its angular orientation. Although the system can find use in a wide variety of situations where the location of distant objects or tracking of coordinates in addition to the angles of orientation of the object is required, in a preferred embodiment the system is for use in tracking and tracking angular orientation of an observation head, especially its line of sight for visually coupled control systems. In the context of this limited arrangement, the direction of view of a pilot is constantly and precisely defined relative to the coordinates of an aircraft. A number of other uses such as B. automatic landings or rendezvous maneuvers, remote-controlled vehicles, automatically controlled air-to-air refueling, formation control, etc., are all applications that work in a larger area. In general, every situation is a potential application for the system according to the invention in which two or more independent bodies or coordinate systems are present and in which it is desirable not only to measure, track and precisely control the relative distance or position of the systems, but also at the same time and with the same device an exact w measurement, tracking and control of the relative angular oricntic! implementation of the two systems.

In F i g. 5 sind die Elemente eines bekannten Systems zur Erzeugung und Abtastung eines magnetischen Feldes gezeigt, das sich nicht dazu verwenden läßt, ein 3^r> Objekt lagemäßig und in seiner Orientierung zu bestimmen oder zu verfolgen. Das bekannte System weist eine Anordnung 10 zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit einer Spule 12 auf, bei der ein Draht aus Kupfer oder einem anderen leitenden Material auf einen magnetischen, vorzugsweise isotropen Kern 14. gewickelt ist. Eine Stromquelle 16 für den Strom / mit beliebiger Trägerfrequenz ist mit der Spule 12 über die Leitungen 18 und 20 verbunden. Der Abtaster 22 weist eine Spule 24 auf. die ebenso wie die fclderzeugende *"> Spule 12 vorzugsweise auf einen magnetischen, isotropen Kern 25 gewickelt ist. Abtastschaltanordnungcn 26 sind mit der Spule 24 über Leitungen 28 und 30 verbunden.In Fig. 5 shows the elements of a known system for generating and scanning a magnetic field which cannot be used ^{to determine or track a 3 r} > object in terms of position and orientation. The known system has an arrangement 10 for generating a magnetic field with a coil 12, in which a wire made of copper or another conductive material is wound onto a magnetic, preferably isotropic core 14. A current source 16 for the current / with any desired carrier frequency is connected to the coil 12 via the lines 18 and 20. The scanner 22 has a coil 24. which, like the fclderzeugende * "> coil 12 is preferably wound on a magnetic core isotropic 25th Abtastschaltanordnungcn 26 are connected to the coil 24 via lines 28 and 30th

Bei Verwendung des bekannten Systems erzeugt der durch die Spule 12 fließende Strom /ein magnetisches Feld 32. Die Spule 24 des Abtasters 22 wird an verschiedenen Stellen um die felderzeugcnde Spule 12 herumbewegl, und die in der Spule 24 induzierten Ströme stellen ein Maß für die Stärke des magnetischen Feldes 32 an den verschiedenen Stellen dar. Die Spule 24, deren Koordinatenachsen 33, 35 und 37 sind, kann relativ zu den Koordinatenachsen 34, 36 und 38 des Bezugskoordinatensystems, zusätzlich zu einer einfachen Verschiebung der Spule 24 in den Richtungen X, Y bo und/oder Z, unterschiedliche relative Winkelstellungen durch Drehungen um die Achse x, y und/oder ζ einnehmen.Using the known system, the current flowing through the coil 12 / generates a magnetic field 32. The coil 24 of the scanner 22 is moved around the field-generating coil 12 at various points, and the currents induced in the coil 24 provide a measure of the strength of the magnetic field 32 at the various locations. The coil 24, the coordinate axes of which are 33, 35 and 37, can be moved relative to the coordinate axes 34, 36 and 38 of the reference coordinate system, in addition to a simple displacement of the coil 24 in the directions X, Y bo and / or Z, assume different relative angular positions by rotating around the axis x, y and / or ζ .

In F i g. 6 ist das von der Abtastschaltungsanordnung 26 für ein gegebenes Feld 32 aufgenommene Ausgangssignal der Spule 24 gezeigt, das von dem durch die Spule 12 fließenden Strom 1 erzeugt wird, wenn die Spule 24 entweder um die y-Achsc 35 oder die z-Achse 37 um 360° gedreht wird. Die Spule 24 könnte jedoch an beliebig vielen Stellen im Umkreis der Spule 12 verschoben werden, wo die obigen Drehungen der Spule 24 wiederum das gleiche Ausgangssignal ergeben wurden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Damit wird auf einfache Art und Weise demonstriert, warum das bekannte System nicht dazu verwendet werden kann, eine eindeutige relative Lage oder eine relative Winkelorienticrung der zur Abtastung dienenden Spule 24 relativ zur felderzeugenden Spule 12 zu definieren.In Fig. 6 is the output signal received by sampling circuitry 26 for a given field 32 of the coil 24, which is generated by the current 1 flowing through the coil 12 when the coil 24 is rotated either about the y-Axis 35 or the z-axis 37 by 360 °. The coil 24 could, however any number of places in the vicinity of the coil 12 can be moved where the above rotations of the Coil 24 would in turn produce the same output signal, as shown in FIG. 6. This is on demonstrates in a simple manner why the known system cannot be used to a clear relative position or a relative angular orientation of the coil used for scanning 24 to be defined relative to the field-generating coil 12.

In den Fig. 7 und 8 ist die Spule 12 gezeigt, welche dem Feld 32 eine Nutation mit einem bestimmten Winkel 48, z. B. einem Winkel von 45°, im Sinne einer einfachen Kippbewegung erteilt, die durch Nutationsmittel 44 erzeugt werden, die mit der Spule 12 verbunden sind. Die von der Abtastschaltungsanordnung 26 abgetasteten, resultierenden Ausgangskurven sind in Fig. 8 gezeigt. Die Verschiebungs- bzw. Translations- und Drehbewegungen sind auf die X-K-Ebene beschränkt. Die Kurven nach Fig. 8 verdeutlichen die dem erfindungsgemäßen System zugrundeliegende Methode. In Fig. 7 sind zwei senkrecht zueinander angeordnete Winkelorientierungcn für die Spule 24 gezeigt. In jeder dieser beiden Orientierungen wird im allgemeinen eine Wechselstromkomponente und eine Gleichstromkomponente in der Spule 24 induziert. Wenn die Spule 24 mit der /-Achse fluchtet, die orthogonal zur Nulationsachse 50 sein soll, so besteht das induzierte Signal bei der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz aus einer Wechselstromkomponente mit dem Wert Null und einer Gleichstromkomponente ebenfalls mit dem Wert Null. Wenn die Spule 24 mit der v-Achsc ausgerichtet ist, die mit der Nutationsachse 50 zusammenfällt, so besteht das induzierte Signal bei der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz aus der gesamten Gleichstromkomponente und wiederum einer Wechsclstromkomponenle mit dem Wert Null. Die beiden wichtigen Signale zur Bestimmung der relativen Orientierung und Translation bzw. Verschiebung sind das in der Spule 24 induzierte Glcichslromsignal. wenn diese ihre y-Stellung einnimmt, und das Wechseistromsignal in der x-Stellung. Beide haben den Wert Null, wie es in den oberen beiden Kurven in Fig.8 dargestellt ist, wenn kein Orientierungs- oder Translalionsfehlcr vorhanden ist.In Figs. 7 and 8, the coil 12 is shown which the field 32 a nutation at a certain angle 48, e.g. B. an angle of 45 °, in the sense of a simple tilting motion created by nutation means 44 associated with spool 12 are connected. The resulting output curves sampled by the sampling circuitry 26 are shown in FIG. The displacement or translational and rotational movements are on the X-K plane limited. The curves according to FIG. 8 illustrate the method on which the system according to the invention is based. In Fig. 7 there are two Angular orientations arranged perpendicular to one another for the coil 24 are shown. In each of these two Orientations will generally have an AC component and a DC component in the coil 24 induced. When the coil 24 is aligned with the / axis, that is orthogonal to the simulation axis 50 should be, the induced signal at the underlying nutation frequency consists of an alternating current component with the value zero and a direct current component also with the value zero. When the coil 24 is aligned with the v-axis, the coincides with the axis of nutation 50, so there is induced signal at the underlying nutation frequency from the total DC component and again an alternating current component with the value zero. The two important signals for Determination of the relative orientation and translation or displacement are those induced in the coil 24 Direct current signal. when this takes up its y-position, and the AC signal in the x position. Both have the value zero, as in the top two Curves shown in Fig. 8, if no orientation or translation error is present.

Existiert ein Translations- bzw. Verschiebungsfchler. so wird die Spule 24 in der x-Stellung ein Wechseistromsignal 47 mit der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz abtasten. Die Größe dieses Signals ist proportional zur Größe des Translationsfehlers; seine Phase, die entweder 0" oder 180° beträgt, zeigt die Richtung des Fehlers an. Wenn ein Orientierungsfehler auftritt, so tastet die Spule 24 in der/-Stellung ein Gleichstromsignal 45 ab. Die Größe und Polarität dieses Gleichslromsignals 45 ist ein Maß für die Größe und Richtung des Orientierungsfehlers.Is there a translation or displacement subject. so the coil 24 in the x position becomes an alternating current signal 47 with the underlying nutation frequency scan. The size of this signal is proportional to the size of the translation error; its phase that is either 0 "or 180 °, indicates the direction of the error. If an orientation error occurs, so the coil 24 scans a direct current signal in the / position 45 from. The size and polarity of this DC signal 45 is a measure of the size and direction of the orientation error.

Die Anordnung nach F i g. 7 stellt ein erfindungsgemäßes System zur Bestimmung der Lage und Orientierung der Spule 24 durch abwechselndes Ausrichten der Spule 24 längs der x-Achse und der /-Achse dar, wobei vorausgesetzt wird, daß die Freiheitsgrade der Bewegung der Spule 24 so sind, daß diese abwechselnd mit der *-Achsc und der /-Achse zusammenfallen. Wenn eine Bewegung in Richtung der .Y-Achse, V-Achse und Z-Achse stattfindet, d. h. in allen drei Dimensionen, dann ist mehr als eine einfache, ebene Nutation in der X- V-Ebenc erforderlich, um die Bewegung zu charakterisieren, die nachstehend näher erläutert werden soll. InThe arrangement according to FIG. 7 shows a system according to the invention for determining the position and orientation of the coil 24 by alternately aligning the coil 24 along the x-axis and the / -axis, it being assumed that the degrees of freedom of movement of the coil 24 are such that these are alternating coincide with the * -axis and the / -axis. If there is a movement in the direction of the Y-axis, V-axis and Z-axis, i.e. in all three dimensions, then more than a simple, planar nutation in the X- V plane is required to characterize the movement, which will be explained in more detail below. In

ίοίο

der X-V-Ebene ist es jedoch weit einfacher, zwei orthogonal zueinander angeordnete Spulen, wie bei der Anordnung nach F i g. 9, zu verwenden als die Lage der Spule ständig zu verändern. Die Spule 24 in F i g. 7 ist daher bei der Anordnung nach Fig.9 durch die orthogonal zueinander angeordneten Spulen 52 und 54 ersetzt, die jeweils mit Abtastschaltungsanordnungen 26 über Leitungen 56 und 58 bzw. 60 und 62 verbunden sind.However, in the X-V plane, it is far easier to have two coils arranged orthogonally to one another, as in the Arrangement according to FIG. 9, to be used as constantly changing the position of the coil. The coil 24 in FIG. 7 is therefore in the arrangement according to FIG. 9 by the coils 52 and 54 arranged orthogonally to one another each connected to sampling circuitry 26 via lines 56 and 58 and 60 and 62, respectively are.

Während die Nutation des Feldes 32 unter dem Winkel 48 in der Anordnung nach Fig. 7 durch jede geeignete Methode erreicht werden kann, beispielsweise durch Nutationsmittel 44, die der Spule 12 in F i g. 7 eine mechanische Nutationsbewegung erteilen, wird diese am besten elektrisch unter Verwendung eines Paares von Spulen 64 und 66 erzeugt, die ebenfalls orthogonal zueinander angeordnet sind. Stromquellen 68 und 70 sind mit jeder dieser Spulen 64 bzw. 66 durch Leitungen 72 und 74 bzw. 76 und 78 verbunden; dabei liefert die Stromquelle 68 ein Gleichstromsignal / für die Spule 64, und die Stromquelle 70 liefert ein Wechselstromsignal, ζ. B. M- sin o)t, für die Spule 66. Diese Signale können entweder einfache DC- oder Gleichstromsignale und AC- oder Wechselstromsignale sein, oder aber sie können beide einer geeigneten Trägerfrequenz, beispielsweise von 10 Kilohertz, überlagert sein. In diesen Fällen beziehen sich die Ausdrücke Wechselstrom und Gleichstrom auf die Modulationsumhüllende, die jede Kurve definiert. In jedem Falle wird das sich ergebende Magnetfeld in dem System nach F i g. 9 eine Nutation um die Nutationsachse 80 ausführen, die immer mit der Achse der Spule 64 zusammenfällt, wenn das Wechselstromsignal in der Spule 66 ein alternierendes Magnetfeld erzeugt, das zu dem vom Gleichstromsignal in der Spule 64 erzeugten Magnelfeld vektoriell addiert wird.While the nutation of the field 32 at the angle 48 in the arrangement of FIG. 7 can be achieved by any suitable method, for example by nutation means 44, which the coil 12 in FIG. 7 to impart a mechanical nutation motion, it is best generated electrically using a pair of coils 64 and 66 which are also arranged orthogonally to one another. Current sources 68 and 70 are connected to each of these coils 64 and 66 by leads 72 and 74 and 76 and 78, respectively; the current source 68 supplies a direct current signal / for the coil 64, and the current source 70 supplies an alternating current signal, ζ. B. M- sin o) t, for the coil 66. These signals can either be simple DC or direct current signals and AC or alternating current signals, or they can both be superimposed on a suitable carrier frequency, for example 10 kilohertz. In these cases the terms alternating current and direct current refer to the modulation envelope that defines each curve. In either case, the resulting magnetic field in the system of FIG. 9 carry out a nutation about the nutation axis 80, which always coincides with the axis of the coil 64 when the alternating current signal in the coil 66 generates an alternating magnetic field which is vectorially added to the magnetic field generated by the direct current signal in the coil 64.

In der Praxis kann sich ein Objekt, auf dem orthogonal zueinander angeordnete Spulen 52 und 54 zur Abtastung befestigt sind, frei in einer Ebene bewegen, die durch die Achsen der Spulen definiert ist. Wenn das System zur Nachführung oder Verfolgung des Objektes bestimmt ist, sollten die felderzeugenden Spulen 64 und 66 die Fähigkeit zur Erzeugung eines Magnetfeldes haben, das eine Nutation um einen Richtungsvektor 80 mit einem von Scheitel zu Scheitel gemessenen Nutationswinkel 49 ausführt, wobei der Richtungsvektor 80 nicht mit der Achse der Spule 64 übereinstimmt. Solche Magnetfelder können durch Einspeisung geeigneter Mischungen von Wechselstrom- und Gleichstromsignalen in den Spulen 64 und 66 erzeugt werden. Wie bereits erwähnt, hängt der Betrag des Nutationswinkels 94 von der relativen Amplitude der DC- und AC-Stromque!len 68 bzw. 70 ab. Der Winkel, den der .Richtungsvektor 80 mit der X-Achse der Spule 64 als Bezugsachse bildet, wird von dem Mischungsprozeß bestimmt, der von der Resolver-Schaltung durchgeführt wird, oder dem Prozeß, der in der zu Fig.3 gehörenden Beschreibung angegeben worden ist und der in der Anordnung erfolgt, die in die Leitungen 72,74 bzw. 76,78 zwischen die Stromquellen 68 und 70 bzw. Spulen 64 und 66 eingeschaltet ist. Der Resolver arbeitet mit festgelegten Gleichstrom- und Wechselstrombezugssignalen von den Stromquellen 68 und 70, so daß die aufbereiteten Signale, die vom Resolver zur Erregung der Spulen 64 und 66 ausgehen, nunmehr die Fähigkeit besitzen, den Richtungsvektor 80 des Nutationsfeldes auf jeden gewünschten Winkel A über volle 360° gemäß den folgenden Gleichungen auszurichten:In practice, an object on which orthogonally arranged coils 52 and 54 are mounted for scanning can move freely in a plane which is defined by the axes of the coils. If the system is intended to track the object, the field generating coils 64 and 66 should have the ability to generate a magnetic field that nutation about a direction vector 80 with a nutation angle 49 measured from vertex to vertex, where the direction vector 80 does not coincides with the axis of the coil 64. Such magnetic fields can be generated by feeding suitable mixtures of AC and DC signals into the coils 64 and 66. As already mentioned, the magnitude of the nutation angle 94 depends on the relative amplitude of the DC and AC current sources 68 and 70, respectively. The angle which the direction vector 80 forms with the X axis of the coil 64 as the reference axis is determined by the mixing process carried out by the resolver circuit or the process given in the description relating to FIG and which takes place in the arrangement which is connected in the lines 72,74 and 76,78 between the current sources 68 and 70 and coils 64 and 66, respectively. The resolver operates on fixed direct current and alternating current reference signals from the current sources 68 and 70, so that the conditioned signals emanating from the resolver to excite the coils 64 and 66 now have the ability to override the direction vector 80 of the nutation field to any desired angle A align a full 360 ° according to the following equations:

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

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

LJm eine ausreichende Information zur Verfolgung bzw. Nachführung der Lage und winkelmäßigcn Orientierung eines Objektes mit daran angebrachten, zur Abtastung dienenden Spulen 52 und 54 in einer Ebene zu erhalten, sollten die Abtastschaltungsanordnungen 26 die Fähigkeit besitzen, nach Durchführung der Koordinatenrotation der in den Spulen 52 und 54 induzierten Signale die Wechselstrom-Fehlerkomponente in dem Richtungsvektor und die Gleichstrom-Fehlerkomponente in der Richtung orthogonal zum Richtungsvektor festzustellen.LJm sufficient information for tracking or tracking of the position and angular Orientation of an object with attached to it, serving for scanning coils 52 and 54 in one To obtain level, the sensing circuitry 26 should be capable of, when performed of the coordinate rotation of the signals induced in coils 52 and 54 represents the AC error component in the direction vector and the DC error component in the direction orthogonal to the Determine direction vector.

Die relative Phase und Größe des oben erwähnten Wechselstromfehlers ist proportional zur Richtung und Größe der Fehlausrichlung. Die Polarität und Größe der oben erwähnten Gleichslrom-Fehlerkomponente ist proportional zur Richtung und Größe des Fehlers im berechneten Orientierungswinkel des entfernten Objektes. The relative phase and magnitude of the AC error mentioned above is proportional to the direction and The size of the misalignment. The polarity and magnitude of the DC error component mentioned above is proportional to the direction and size of the error in the calculated orientation angle of the distant object.

Diese beiden Fehlersignale, die proportional zum Winkelfehler im Richtungswinkel bzw. zum Winkelfehler im relativen Orientierungswinkel des Objektes sind, werden dazu verwendet, Korrekturen bei der vorausgegangenen Messung dieser beiden Winkel durchzuführen. Die Veränderung des Richtungswinkels verschiebt den Richtungsvektor so lange, bis die zur AbtastungThese two error signals, which are proportional to the angle error in the direction angle or to the angle error in the relative orientation angle of the object are used to make corrections to the previous one Measure these two angles. The change in the direction angle shifts the direction vector until the point of scanning

)0 dienenden Spulen 52 und 54 danach ausgerichtet sind, wobei dann das Wechselstromfehlersignal, in der Richtung des Richtungsvektors 80 gemessen, auf Null geht. Die für den Orienticrungswinkcl erforderliche, angegebene Veränderung verbessert oder korrigiert) 0 serving coils 52 and 54 are then aligned, with the AC error signal in the Direction of the direction vector 80 measured, goes to zero. The necessary for the orientation angle, specified change improved or corrected

J5 den berechneten Orientierungswinkcl, der die relative Koordinalenbeziehung zwischen dem Koordinatensystem der felderregenden Spulen 64 und 66 und dem Koordinatensystem der abtastenden Spulen 52 und 54 darstellt. Wenn diese Beziehung in der Signalaufbereitungsanordnung auf geeignete Weise vom Resolver für den Orientierungswinkel Θ dargestellt wird, dann wird auch das Gleichstromfchlersignal in der Richtung orthogonal zum Richlungsvektor 80 zu Null werden.J5 the calculated orientation angle, which is the relative Coordinate relationship between the coordinate system of the field exciting coils 64 and 66 and the Represents the coordinate system of the scanning coils 52 and 54. If this relationship in the signal conditioning arrangement is represented in a suitable manner by the resolver for the orientation angle Θ, then becomes also the DC fan signal in the direction orthogonal to the direction vector 80 become zero.

Bezugnehmend auf F i g. 10 wird ein erfindungsgemäßes System zum kontinuierlichen Nachführen oder Verfolgen der relativen Stellung oder Richtung und der relativen winkelmäßigen Orientierung zwischen zwei unabhängigen Körpern in einer Ebene beschrieben. Die Bezugskoordinaten der Ebene sind durch die A"-Achse 84 und die V-Achse 86 definiert, die mit den felderzeugenden Spulen 64 bzw. 66 zusammenfallen. Sowohl die Translation bzw. Verschiebung als auch die Orientierungswinkel werden relativ zu diesem Bezugskoordinatensystem gemessen. Die zur Abtastung dienenden Spulen 52 und 54 sind an einem entfernten, sich bewegenden Objekt befestigt, und ihre orthogonal zueinander angeordneten Koordinatenachsen 90 und 92 definieren das Koordinatensystem des Objektes, das sowohl hinsichtlich seiner Lage als auch seiner Orientierung verfolgt werden soll.Referring to FIG. 10 becomes one according to the invention System for continuously updating or tracking the relative position or direction and the described relative angular orientation between two independent bodies in a plane. the Reference coordinates of the plane are defined by the A "axis 84 and the V-axis 86, which correspond to the field-generating coils 64 and 66 coincide. Both the translation or displacement as well as the Orientation angles are measured relative to this reference coordinate system. The one for scanning serving coils 52 and 54 are attached to a distant moving object, and their orthogonal Coordinate axes 90 and 92 arranged to one another define the coordinate system of the object, the should be followed both in terms of its location and its orientation.

Um ein Nutationsfeld zu erzeugen, das in eine bestimmte Richtung relativ zum festen Koordinatensystem der felderregenden Spulen 64 und 66 gerichtet ist, ist in jeder der felderregenden Spulen eine bestimmte Mischung von Gleichstrom- und Wechselstrom-Erregersignalen erforderlich. Der Resolver 102 bereitet die auf den Leitungen 104 und 106 von den Stromquellen 68 bzw. 70 empfangenen Bezugserreger-To create a nutation field in a certain direction relative to the fixed coordinate system of the field-exciting coils 64 and 66 is directed, there is a specific one in each of the field-exciting coils Mixing of DC and AC excitation signals required. The resolver 102 prepares the reference exciter signals received on lines 104 and 106 from current sources 68 and 70, respectively.

signale für Gleichstrom und Wechselstrom gemäß einem angenommenen, mit 82 bezeichneten E:ingangsrichtungswinkel A auf, so daß geeignet gemischte Ausgangserregersignale des Resolvers erzeug! werden, die über Leitungen 108 und 110 an den Spulen 64 bzw. 66 "> anliegen. Der Richtungsvektor 80 und sein begleitendes Nutationsfeld sind daher unter einem Richtungswinkel A in bezug auf die X-Achse als Bezugsachse geneigt. Das erzeugte Nutationsfeld ist nominell in Richtung der zur Abtastung dienenden Spulen 52 und 54 gerichtet. Die Amplitude der Nutation 88 von Scheitel zu Scheitel ist festgelegt und beträgt üblicherweise 45° bis 90° und hängt von der relativen Größe der beiden festgelegten Signale für die Gleichstrom- und Wechselstromerregung der Stromquellen 68 und 70 ab. Es ist einsichtig, i^r> daß die in den Spulen 52 und 54 induzierten Signale nicht nur vorn Richtungswinkel A abhängen, sondern auch von dem mit 94 bezeichneten relativen Orientierungswinkel Θ. Aus diesem Grunde sind die in den Spulen 52 und 54 induzierten Signale durch Leitungen 112 und 114 mit dem Resolver 96 verbunden und werden vom Resolver 96 aufbereitet, wobei der Teil der Wechselstrom- und Gleichstrommischung der beiden Signale abgetrennt oder entmischt wird, der von dem mit 94 bezeichneten Orientierungswinkcl θ stammt, ·» wenn dieser größer als Null ist. Die beiden Komponenten des Ausgangssignals vom Resolver 96 liegen über Leitungen 116 und 118 am Resolver 98, der die Gleichstrom- und Wechselstromsignalmischung weiter entmischt; dies ist erforderlich, um den gewünschten. «> mit 82 bezeichneten Richtungswinkel A zu erhalten. Wenn der angenommene Richtungswinkel A und der angenommene Orientierungswinkel θ korrekt sind, werden die Ausgangskomponcnien vom Resolver 98 völlig entmischt werden. In diesem Falle trägt das r> nominelle Gleichstrom-Ausgangssignal auf der Leitung 120 keinen Wechselstrom-Modulationsfehler, womit angezeigt wird, daß kein Richlungsfchlcr vorhanden ist. Ebenso ist dem nominellen Wechsclstromsignal auf der Leitung 122 keine Gleichstromkomponente überlagert, ^4|> womit angezeigt wird, daß der berechnete Orientierungswinkel korrekt ist.signals for direct current and alternating current according to an assumed E, denoted by 82: input direction angle A , so that suitably mixed output excitation signals generated by the resolver! which are applied to coils 64 and 66 "> via lines 108 and 110, respectively. Direction vector 80 and its accompanying nutation field are therefore inclined at a direction angle A with respect to the X-axis as the reference axis. The nutation field generated is nominally in direction of the sensing coils 52 and 54. The amplitude of the nutation 88 from vertex to vertex is fixed and is usually 45 ° to 90 ° and depends on the relative size of the two fixed signals for the DC and AC excitation of the current sources 68 and 70 from. It will be appreciated i ^r> that the voltages induced in the coils 52 and 54 signals not only forward direction angle A dependent, but also by the area designated by 94 relative orientation angle Θ. For this reason, the voltages induced in the coils 52 and 54 signals connected by lines 112 and 114 to the resolver 96 and processed by the resolver 96, the portion of the AC and DC commis The direction of the two signals is separated or unmixed, which comes from the orientation angle θ denoted by 94, · »if this is greater than zero. The two components of the output signal from resolver 96 are connected via lines 116 and 118 to resolver 98, which further separates the direct current and alternating current signal mixture; this is required to get the desired. «> To obtain direction angle A designated by 82. If the assumed direction angle A and the assumed orientation angle θ are correct, the output components from resolver 98 will be completely segregated. In this case, the r> nominal DC output on line 120 carries no AC modulation error, indicating that there is no directional error. Likewise, the nominal Wechsclstromsignal is superimposed on line 122 no DC component, ^{4 |} > which indicates that the calculated orientation angle is correct.

Vorausgesetzt, daß die Winkel θ und/oder A nicht korrekt sind, was der Fall sein wird, wenn sehr kleine Fehler erwartet werden, wie es beim Arbeiten unter *"> dynamisch wechselnden Bedingungen auftritt, dann werden die Abtastschaltungsanordnungcn 26, die auf den Leitungen 120 und 122 die Wechselstrom- und Gleichstromfehlerangaben erhalten, diese auf die Fehler bei der Bestimmung der Richtungswinkel θ und A ^w beziehen und auf den Leitungen 124 und 126 dem Winkelmeßkreis 100 die entsprechenden differentiellen Änderungen übermitteln, der sie unter den entsprechenden Winkeln abspeichert. Diese verbesserten Winkelmessungen von θ und A werden den jeweiligen Resolvern eingegeben, und zwar bei der vorliegenden Ausführungsform über die Leitungen 132, 134 und 136 gemäß einer vorgegebenen Rückkopplungsanordnung. Daraus ergibt sich, daß die Korrekturen, die an den Ausgängen auf den Leitungen 128 und 130 anliegen, die 6" Fehlermessungen der Komponenten auf den Leitungen 124 und 126 reduzieren. Diese Prinzipien lassen sich durch Anwendung des in F i g. 11 dargestellten Systems auf dreidimensionale Anwendungen erweitern.Provided that the angle θ and / or A are not correct, what will be the case if very small errors are expected, as occurs dynamically changing when working under * "> conditions, then the Abtastschaltungsanordnungcn 26, on lines 120 and 122 receive the alternating current and direct current error information, these relate to the errors in the determination of the direction angles θ and A ^w and transmit the corresponding differential changes on lines 124 and 126 to the angle measuring circuit 100, which stores them at the corresponding angles Angular measurements of θ and A are input to the respective resolvers, in the present embodiment via lines 132, 134 and 136 in accordance with a predetermined feedback arrangement. As a result, the corrections applied to the outputs on lines 128 and 130 the 6 "reduce error measurements of the components on lines 124 and 126. These principles can be demonstrated by applying the method shown in FIG. 11 can be extended to three-dimensional applications.

Wie bei dem System nach Fig. 10 weist das System nach F i g. 11 felderzeugende Spulen 64 und 66 und zur Abtastung dienende Spulen 52 und 54 auf. Eine dritte feiderzeugende Spule 158, die sowohl zur Spule 64 als auch zur Spule 66 orthogonal angeordnet ist, und eine dritte zur Abtastung dienende Spule 248, die sowohl zur Spule 52 als auch zur Spule 54 orthogonal angeordnet ist, wird zur Messung der Information der dritten Dimension vorgesehen. Um das Verständnis zu erleichtern, sind die drei Spulen in jedem Falle räumlich getrennt dargestellt. In Wirklichkeit schneiden sich jedoch die Achsen der Magnetfelder sowohl bei den zur Felderzeugung dienenden Spulen als auch bei den zur Abtastung dienenden Spulen in einer wechselseitig orthogonalen Anordnung, wie es durch die Koordinatenachsen 84, 86, 160 bzw. 90, 92, 170 des kartesischen Koordinatensystems angedeutet ist.As with the system of Figure 10, the system according to FIG. 11 field-generating coils 64 and 66 and for Coils 52 and 54 serving for scanning. A third field generating coil 158 which is connected to both coil 64 and is also arranged orthogonally to the coil 66, and a third coil 248 serving for scanning, which is connected to both the Coil 52 and the coil 54 is arranged orthogonally, is used to measure the information of the third Dimension provided. To make it easier to understand, the three coils are always three-dimensional shown separately. In reality, however, the axes of the magnetic fields intersect at both the Field generation serving coils and the coils serving for scanning in a reciprocal manner orthogonal arrangement, as indicated by the coordinate axes 84, 86, 160 and 90, 92, 170 of the Cartesian Coordinate system is indicated.

Weiterhin wird ein zusätzliches 4C-Bezugserregersignal geschaffen, so daß das Wechselstromsignal ACX 1 und das Wechselstromsignal ACl in einer quadratischen Beziehung stehen oder um 90^ü phasenverschoben sind. Sie können als Sinuskurven mit gleicher Amplitude, aber 90° Phasenverschiebung angesehen werden, obwohl die beiden Wechselstromsignale AC'1 und AC2 nicht notwendigerweise sinusförmig in der praktischen Ausführung des Systems sein müssen.Furthermore, an additional 4C reference excitation signal is created so that the AC signal ACX 1 and the AC signal ACI are in a square relationship or are phase-shifted by ^ü 90th You do sine waves with the same amplitude but 90 ° phase shift are considered, although the two AC signals AC '1 and AC2 not necessarily sinusoidal in the practical implementation of the system need to be.

Wiederum darf auf die F i g. 4a und 4b Bezug genommen werden, welche die obige Diskussion der Koordinatentransformationsanordnungen betreffen und die dreidimensionale Richtungsgeometrie zeigen. Die Im Falle der in F i g. 10 dargestellten zwcidimensionalen Ausführungsform ermöglicht die Fähigkeit des Richtungsvektors 180, in jede Richtung zu zeigen, in der die Anordnung der zur Abtastung dienenden Spulen 52, 54 und 248 sich bewegen kann, ein Nachführen der zum Abtasten dienenden Spulen. Die Bezugserrcgersignale für das Gleichstromsignal DC. das Wechselstromsignal 4Cl und das Wechselstromsignal ACI aus den Stromquellen 68, 70 und 140 definieren ein kegelförmiges Nutationsfeld 164 um einen Richtungsvektor 180, der mit der Achse der Gleichstromkomponente des Nutationsfeldes zusammenfällt. Es darf wiederum betont werden, daß die Ausrichtung des Richtungsvektors 180 elektrisch durch eine noch zu beschreibende Schaltungsanordnung erfolgt, während die felderzeugenden Spulen 64, 66 und 158 in einer festen Orientierung zueinander verbleiben. Die Stromquelle 68 für das Gleichstromsignal DC und die Stromquelle 140 für das Wechselstromsignai ACI sind über Leitungen 142 und 144 mit dem Resolver 220 verbunden, dessen Ausgangsleitung 148 ebenso wie die Ausgangsleilung 146 der Stromquelle 70 für das Wechselstromsignal AC'1 mit dem Resolver 222 verbunden sind. Die Ausgangsleitungen 154 und 156 führen die Erregersignale vom Resolver 222 den felderzeugenden Spulen 64 und 66 zu. Die felderzeugende Spule 158 wird über die Leitung 152 vom Ausgang des Resolvers 220 erregt. Die beiden Winkel A und B der Resolver 222 und 220 arbeiten daher auf dem Bezugsvektoreingang des Nutationsfeldes, dessen Komponenten die Bezugserregersignale der Stromquellen 68, 70 und 140 sind, so daß der Richtungsvektor l«0 und sein dazugehöriges Nutationsfeld in Übereinstimmung mit der in Fig.4a gezeigten Geometrie ausgerichtet sind. Der Richtungsvektor 180 zeigt in Richtung des Abtasters, der auf dem entfernten, durch das System zu verfolgenden Objekt angebracht ist. Dieser Abtaster besteht aus drei wechselseitig orthogonal zueinander angeordneten Spulen 52, 54 und 248, die auf dem entfernten Objekt befestigt sind und die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit den Hauptachsen des entsprechenden Objektes iihPrpinuimmpn cr> AxR hp'i r\ar Again, the F i g. 4a and 4b which relate to the above discussion of coordinate transformation arrangements and show the three-dimensional directional geometry. In the case of the in F i g. The two-dimensional embodiment illustrated in FIG. 10 enables the ability of the directional vector 180 to point in any direction that the array of scanning coils 52, 54, and 248 may move to track the scanning coils. The reference excitation signals for the direct current signal DC. the alternating current signal 4Cl and the alternating current signal ACI from the current sources 68, 70 and 140 define a conical nutation field 164 about a direction vector 180 which coincides with the axis of the direct current component of the nutation field. It should again be emphasized that the alignment of the direction vector 180 takes place electrically by a circuit arrangement to be described, while the field-generating coils 64, 66 and 158 remain in a fixed orientation with respect to one another. The power source 68 for the direct current signal DC and the current source 140 for the Wechselstromsignai ACI are connected via lines 142 and 144 to the resolver 220, the output line 148 146 of the current source as well as the Ausgangsleilung 70 is connected to the AC signal AC '1 with the resolver 222 . Output lines 154 and 156 feed the excitation signals from resolver 222 to field-generating coils 64 and 66. The field-generating coil 158 is energized via the line 152 from the output of the resolver 220. The two angles A and B of resolvers 222 and 220 therefore work on the reference vector input of the nutation field, the components of which are the reference excitation signals from current sources 68, 70 and 140, so that direction vector l «0 and its associated nutation field correspond to the one shown in FIG. 4a are aligned. Direction vector 180 points in the direction of the scanner attached to the remote object to be tracked by the system. This scanner consists of three mutually orthogonally arranged coils 52, 54 and 248 which are attached to the remote object and which, according to a preferred embodiment, have the main axes of the corresponding object iihPrpinuimmpn cr> AxR hp'i r \ ar

Bestimmung der Orientierung des dreiteiligen Abtasters die Orientierung des entfernten Objektes gleichzeitig bestimmt wird.Determination of the orientation of the three-part scanner the orientation of the distant object is determined at the same time.

Wie bei der an H'ind von Fig. 10 erläuterten zweidimensionalen Ausführungsform sind die in den Spulen 52, 54 und 248 induzierten Signale von der Orientierung ihres Koodinatensystems abhängig, das von den wechselseitig orthogonal zueinander stehenden Koordinatenachsen 90, 92 und 170 gebildet wird, und zwar relativ zum Richtungsvektor 180 und seinen zwei κι orthogonalen Komponenten des Nutationsfeldes. Mit anderen Worten, die spezielle Mischung der von den Stromquellen 68, 70 und 140 erzeugten Bezugserregersignale, d. h. des Gleichstromes DC, des Wechselstromes 4Cl und des Wechselstromes 4C2. die in jeder der drei Spulen 52, 54 und 248 induziert wird, hängt nicht nur von den zwei Richtungswinkeln A und B ab: welche die zusammengesetzte Richtungskoordinaten-Transformationsanordnung 252 ansteuern, sondern auch von den drei Euler'schen Winkeln, die die relative Winkelorientierung des entfernten Objektes definieren und die die zusammengesetzte Orientierungskoordinaten-Transformalionsanordnung 250 steuern. Die Hauptfunktion der beiden Koordinaten-Transformationsanordnungen 250 und 252 in der Gesamirechenstrategic :s des Systems besteht darin, daß die Transformationsanordnung 250 den Teil der Bezugssignalmischung entmischt, der in den abtastenden Spulen induziert wird und der der relativen Orientierung des entfernten Objektes zuzurechnen ist. während die andere Transfor- j(i mationsanordnung 252 den verbleibenden Teil der Bezugssignalmischung entmischt, der sich auf die Richtungswinkel bezieht.As in the two-dimensional embodiment explained at H'ind in FIG. 10, the signals induced in the coils 52, 54 and 248 are dependent on the orientation of their coordinate system, which is formed by the mutually orthogonal coordinate axes 90, 92 and 170, and although relative to the direction vector 180 and its two κι orthogonal components of the nutation field. In other words, the special mixture of the reference excitation signals generated by the current sources 68, 70 and 140, ie the direct current DC, the alternating current 4Cl and the alternating current 4C2. induced in each of the three coils 52, 54 and 248 depends not only on the two directional angles A and B : which drive the composite directional coordinate transformation arrangement 252, but also on the three Eulerian angles which define the relative angular orientation of the remote object and which control the composite orientation coordinate transforming array 250. The main function of the two coordinate transformation arrangements 250 and 252 in the overall computing strategy of the system is that the transformation arrangement 250 unmixes that part of the reference signal mixture which is induced in the scanning coils and which is attributable to the relative orientation of the distant object. while the other transformation arrangement 252 unmixes the remaining part of the reference signal mixture which relates to the direction angles.

Wenn die drei Orientierungswinkel, die die Koordinaten-Transformationsanordnung 250 steuern, und die zwei Richtungswinkel, die die Koordinaten-Transformationsanordnung 252 steuern, in geeigneter Weise die räumliche Beziehung zwischen den beiden Koordinatensystemen zur Signalerzeugung und Signalabtastung repräsentieren, dann entsprechen die Signale, die von den Abtastschaltanordnungen 26 abgetastet werden, den entmischten Bezugssignalcn des Glcichstromsignals DC. des Wechselstromsignals 4Cl und des Wechselstromsignals 4C2 aus den Stromquellen 68.70 und 140.If the three orientation angles that control the coordinate transformation arrangement 250 and the two directional angles that control the coordinate transformation arrangement 252 appropriately represent the spatial relationship between the two coordinate systems for signal generation and signal sampling, then the signals that are transmitted by the Sampling switching arrangements 26 are sampled, the segregated reference signals of the direct current signal DC. of the alternating current signal 4Cl and the alternating current signal 4C2 from the current sources 68.70 and 140.

Die Spulen 54 und 248 sind mit dem Resolver 224 über die Leitungen 168 und 172 verbunden. Der Ausgang der Spule 52 und ein Ausgang des Rcsolvers 224 sind mit dem Resolver 226 über die Leitungen 166 bzw. 174 verbunden. Ein Ausgang des Resolvers 224 und ein Ausgang des Rcsolvers. 226 sind mit dem Resolver 2?8 ^r>" über die Leitungen 176 bzw. 178 verbunden. Die beiden Ausgänge des Resolvers 228 sind mit dem Resolver 230 über die Leitungen 186 bzw. 188 verbunden. Ein Ausgang des Resolvers 226 und ein Ausgang des Resolvers 230 sind mit dem Resolver 232 über die Leitungen 184 bzw. 190 verbunden. Em Ausgang des Resolvers 230 und zwei Ausgänge vom Resolver 232 liefern die aufbereiteten Eingangssignale für die Abtastschaltanordnung 26, wobei diese Eingangssignal über die Leitungen 192,194 und 1% eingespeist werden. Die mil den auf den Leitungen 192, 194 und 1% anliegenden drei Eingangssignalen arbeitende Abtastschaltanordnung 26 tastet deren Abweichungen von den nominell korrekten Werten ab. die den Komponenten der Bezugserrcgcrsignale von den Stromquellen 68, 70 und 140 entsprechen sollten. Das auf der Leitung 194 abgetastete Signal sollte nominell ein Gleichstromsignal sein. Wenn die Leilung 194 ein Wechsclstromfchlcrsignal in der Nutalionsfrequenz enthalt, dann ist eine Fehlausrichtung vorhanden, d. h„daß der Richtungsvektor 180 nicht genau auf die Spulen 52, 54 und 248 ausgerichtet ist. Der Teil des Wechselstromfehlersignais, der auf der Leitung 194 anfällt und die gleiche absolute Phase wie das Erregersignal auf der Leitung 146 aufweist, ist proportional zu einem Fehler im Richtungswinkel A. Dieser Fehler im Richtungswinkel A ist mit dem Winkelmeßkreis 100 über die Leitung 200 verbunden. Der Teil des Wechselstromfehlersignals, der auf der Leitung 194 anfällt und die gleiche absolute Phase wie das Erregersignal auf der Leitung 144 aufweist, ist dem Fehler im Richtungswinkel B proportional. Dieser Fehler im Richtungswinkel B liegt über die Leitung 202 am Winkelmeßkreis 100.The coils 54 and 248 are connected to the resolver 224 via lines 168 and 172. The output of the coil 52 and an output of the solver 224 are connected to the resolver 226 via lines 166 and 174, respectively. An output of resolver 224 and an output of the resolver. 226 are connected to the resolver 2? 8 ^r >"via the lines 176 and 178, respectively. The two outputs of the resolver 228 are connected to the resolver 230 via the lines 186 and 188, respectively. An output of the resolver 226 and an output of the resolver 230 are connected to resolver 232 via lines 184 and 190. One output of resolver 230 and two outputs from resolver 232 supply the processed input signals for sampling switch arrangement 26, these input signals being fed in via lines 192, 194 and 1% The sampling circuitry 26 operating on the three input signals on lines 192, 194 and 1% samples their deviations from the nominally correct values which should correspond to the components of the reference output signals from current sources 68, 70 and 140. The signal sampled on line 194 should nominally be a DC signal there is misalignment; d. That is, direction vector 180 is not precisely aligned with coils 52, 54, and 248. The portion of the AC error signal that occurs on line 194 and has the same absolute phase as the excitation signal on line 146 is proportional to an error in direction angle A. This error in direction angle A is connected to angle measuring circuit 100 via line 200. The portion of the AC error signal that appears on line 194 and has the same absolute phase as the excitation signal on line 144 is proportional to the error in direction angle B. This error in the direction angle B is located at the angle measuring circle 100 via the line 202.

Das auf der Leitung 192 anliegende Signal sollte ein nominelles Wechselstromsignal mit der Nuta'.ionsfrequenz sein und kein Gleichstromsignal. Wenn ein Gleichstromsignal auf der Leitung 192 erscheint, ist dies proportional einem OrienlieruiigswinkeJfehler im Orientierungswinkel Ψ, der der sogenannte relative Peilwinkel ist. Dieser abgetastete Fehler im relativen Peilwinkcl Ψ liegt über die Leitung 208 am Winkelmeßkreis 100.The signal on line 192 should be a nominal AC signal at the nutating frequency and not a DC signal. If a direct current signal appears on line 192, it is proportional to an orientation angle error in the orientation angle Ψ, which is the so-called relative bearing angle. This sampled error in the relative bearing angle Ψ is located on the angle measuring circle 100 via the line 208.

Das auf der Leilung 196 anliegende Signal sollte ebenfalls ein nominelles Wechselstromsignal mit der Nutationsfrequenz sein und keinen Gleichstromanteil enthalten, jedesmal wenn ein Glcichslromsignal auf der Leitung 196 erscheint, so ist dies proportional zu einem Fehler im relativen Orienticrungswinkcl Θ. dem sogenannten relativen Höhcnwinkcl. Dieser Fehler im relativen Höhenwinkcl β liegt über die Leitung 206 am Winkclmcßkreis 100.The signal on division 196 should also be a nominal AC signal with the Nutation frequency and contain no DC component each time a DC signal is on the Line 196 appears, this is proportional to an error in the relative orientation angle Θ. to the so-called relative height angles. This error in the relative elevation angle β is due to the line 206 Angular measuring circle 100.

Wie oben bereits erwähnt, sind die auf den Leitungen 192 und 196 auftrclendcn Signale nicht allein dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wcchsclstromsignal mit Nutationsfrequenz darstellen, sondern auch dadurch, daß sie in quadratischer Beziehung zu ihren korrespondierenden nominellen Bczugssignalen stehen, nämlich dem Wechselsiromsignai ACX und dem Wechsclstromsignal AC2. Weiterhin ist die Phasendifferenz zwischen dem Signal auf der Leitung 192 und der Stromquelle 70 oder alternativ die Phasendifferenz zwischen dem Signal auf der Leitung 1% und der Stromquelle 140 proportional zu einem Fehler im relativen Orieniicrungswinkel Φ. dem sogenannten relativen Rollwinkel. Dieser Fehler im relativen Rollwinkcl Φ liegt über die Leilung 204 am Winkelmcßkrcis 100. Die Funktion des Winkclmeßkreiscs 100 besteht darin, richtige oder berichtigte Messungen der beiden Richtungswinkel A und B auf den Leitungen 210 und 212 abzugeben, die auf den von der Ablaslschaltanordnung 26 ermittelten Winkclfehlern beruhen. Eine weitere Funktion des Winkelmeßkreiscs 100 besteht darin, richtige oder korrigierte Messungen der drei relativen Orientierungswinkel Φ, θ und Ψ auf den Leitungen 214,216 und 218 zu liefern. Diese fortschreitend verbesserten Winkelmessungen, die auf den Leitungen 210,212,214,216 und 218 erscheinen, sind über die Leitungen 234 und 240,236 und 238, 246, 244, 242 mit den Resolvern 222 und 230, 220 und 232, 224, 226 und 228 in einer festen Rückkopplungsanordnung verbunden. Vom Winkclmeßkrcis 100 an den betreffenden Winkein durchgeführte Korrekturen wirken dahingehend, die Fehlersignale, die von der Abtaslschaltanordnung 26 auf den Leitungen 194, 192 und 196 auftreten, auf Null zu reduzieren. Es darf darauf hingewiesen werden, daß die Folge der Winkel und ihrer dazugehörigen Rotationsachse sowohl für die Rieh-As mentioned above, the signals appearing on lines 192 and 196 are not only characterized in that they represent an alternating current signal with a nutation frequency, but also in that they have a quadratic relationship to their corresponding nominal reference signals, namely the alternating current signal ACX and the AC signal AC2. Furthermore, the phase difference between the signal on line 192 and current source 70 or, alternatively, the phase difference between the signal on line 1% and current source 140 is proportional to an error in the relative orientation angle Φ. the so-called relative roll angle. This error in the relative roll angle Φ lies over the graduation 204 at the angle measuring circle 100. The function of the angle measuring circle 100 is to provide correct or corrected measurements of the two direction angles A and B on the lines 210 and 212, which are based on the angle errors determined by the discharge switching arrangement 26 are based. Another function of the Winkelmeßkreiscs 100 is to provide correct or corrected measurements of the three relative orientation angles Φ, θ and Ψ on lines 214, 216 and 218. These progressively improved angle measurements appearing on lines 210,212,214,216 and 218 are connected to resolvers 222 and 230, 220 and 232, 224, 226 and 228 in a fixed feedback arrangement via lines 234 and 240,236 and 238, 246, 244, 242 . Corrections carried out by the angle measuring circuit 100 at the relevant angle act to reduce the error signals which occur from the scanning circuit 26 on the lines 194, 192 and 196 to zero. It should be noted that the sequence of angles and their associated axis of rotation both for the

tungskoordinaten-Transformationsanordnung 252 als auch für die Orientierungskoordinaten-Transformationsanordnung 250 nicht zwingend ist. Das bedeutet, daß auch andere Winkeldefinitionen und Rotationsfolgen für jede der beiden Transformationen verwendet werden können, unter der Voraussetzung, daß sie die erforderliche Freiheit für die Ausrichtung und relative Orientierung besitzen.processing coordinate transformation arrangement 252 as is also not mandatory for the orientation coordinate transformation arrangement 250. That means, that also uses other angle definitions and rotation sequences for each of the two transformations can be, provided that they have the necessary freedom for orientation and relative Have orientation.

Weiterhin darf darauf hingewiesen werden, daß die Realisierung des erfindungsgemäßen Systems durch die Verwendung bekannter Techniken mit digitalen, analogen oder Hybridschaltungen durchgeführt werden kann.It should also be pointed out that the implementation of the system according to the invention by the Using known techniques with digital, analog or hybrid circuits can be performed.

Auch wenn das erfindungsgemäße System als spezielles Überführungssystem mit fünf Freiheitsgraden zwischen zwei räumlich entfernten, unabhängigen Koordinatensystemen arbeitet, wobei nur eine Erregerquelle in dem einen Koordinatensystem und nur ein Empfänger in dem anderen Koordinatensystem verwendet wird, so darf darauf hingewiesen werden, daß sich dieses System leicht dahingehend erweitern läßt, um eine Messung aller sechs Freiheitsgrade unter Verwendung von zwei Erregerquellen zu erreichen. Die zweite Erregerquelle würde oder könnte an einer anderen Stelle im Koordinatensystem der ersten Erregerquelle angebracht sein und mit der ersten Erregerquelle parallel arbeiten, wobei die dritte Translaiionskoordinaie, die des relativen Bereichs, durch eine Triangulation unter Verwendung der gleichen Rechentechniken bestimmt werden könnte, wie sie beim erfindungsgemäßen System Verwendung findet.Even if the system according to the invention is a special transfer system with five degrees of freedom works between two spatially distant, independent coordinate systems, with only one excitation source in one coordinate system and only one receiver is used in the other coordinate system it should be pointed out that this system can easily be expanded to include to achieve a measurement of all six degrees of freedom using two excitation sources. the second source of excitation would or could be at a different point in the coordinate system of the first Be attached excitation source and work in parallel with the first excitation source, the third Translation coordinate, that of the relative area, by a triangulation using the the same computation techniques could be determined as they are used in the system according to the invention finds.

Auch darf betont werden, daß sich das erfindungsgemäße System in einem breiten Anwendungsbereich einsetzen läßt, und zwar in Bereichen von wenigen Kubikmetern oder weniger bis zu Anwendungen in Bereichen etlicher Kubikkilometer. Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Abtastanordnungen 26 intern mit den Komponenten der Bezugserregersignale von den Stromquellen 80, 70 und 140 versorgt werden, um die Ausfilterabtastfunktion logisch ausführen zu können, die für ihre Abtastschaltanordnungen 26 erforderlich ist.It should also be emphasized that the system according to the invention has a wide range of applications can be used in areas from a few cubic meters or less to applications in Areas of several cubic kilometers. From the above description it can be seen that the scanning arrangements 26 internally supplied with the components of the reference excitation signals from the current sources 80, 70 and 140 in order to be able to logically carry out the filter-out sampling function that is required for their sampling switching arrangements 26 is required.

Die Resolver, die Teile der Schaltungsanordnung darstellen, können beispielsweise so hergestellt werden, wie es in der US-PS 31 87 169 und der US-PS 29 27 734 beschrieben ist. Die Abtastschaltanordnungen können wiederum beispielsweise so aufgebaut werden, wie es in der Literaturstelle »Electronics Circuit Designers Casebook« von Electronics McGraw Hill, No. 14-6 auf Seite 67 dargestellt ist. Der Winkelmeßkreis kann in der Form aufgebaut sein, wie es bei einer großen Anzahl bekannter Servomechanismen vom Typ I der Fall ist Selbstverständlich gibt es zahlreiche alternativ erhältliche bekannte Konstruktionen für jede dieser Anordnungen. The resolvers, which represent parts of the circuit arrangement, can be manufactured, for example, as described in US Pat. No. 3,187,169 and US Pat. No. 2,927,734. The scanning switching arrangements can in turn, for example, be structured as it is in the literature reference »Electronics Circuit Designers Casebook "by Electronics McGraw Hill, no. 14-6 on page 67. The angle measuring circle can be in the Form, as is the case with a large number of known Type I servo mechanisms There are of course numerous alternatives available known constructions for each of these arrangements.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße System mit einer zweidimensionalen Nutation des erzeugten Nutationsfeldes die Richtungsund Orientierungsv/inkel des entfernten Objektes in der Ebene der Nutation bestimmt werden können, währendIn summary, it can be stated that the system according to the invention with a two-dimensional Nutation of the generated nutation field the angle of direction and orientation of the distant object in the Level of nutation can be determined while

ίο mit eine:- dreidimensionalen Nutation die Richtung und die Orientierung eines entfernten Objektes bestimmt werden können.ίο with a: - three-dimensional nutation the direction and the orientation of a distant object can be determined.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, daß einerseits auch der unverarbeitete Ausgang des Winkelmeßkreises in bestimmten Situationen in einem offenen System von Nutzen sein kann, obwohl normalerweise für eine genaue Bestimmung der Orientierungswinkel Φ, θ und Ψ die Ausstrahlmittel direkt auf die Abtastmittel gerichtet sein müssen und daß andererseits die absolute Lage und Orientierung, einschließlich der Entfernung eines Objektes relativ zur Bezugsquelle durch Verwendung zweier räumlich getrennter Erregungsmittel, wie sie in F i g. 11 dargestellt sind, mit geeigneter Eingangs- und Ausgangsschaltung an dem Objekt bestimmt werden können.Another advantage of the system according to the invention is that, on the one hand, the unprocessed output of the angle measuring circle can also be useful in certain situations in an open system, although normally the emitting means are directed directly at the scanning means for an exact determination of the orientation angles Φ, θ and Ψ must and that on the other hand the absolute position and orientation, including the distance of an object relative to the reference source by using two spatially separated excitation means, as shown in FIG. 11, can be determined with suitable input and output circuitry on the object.

Obwohl das erfindungsgemäße System im Detail als ein Objektverfoigungssystem zur Verfolgung der Bewegung und winkelmäßigen Orientierung eines im allgemeinen entfernten Objektes beschrieben worden ist, ist einsichtig, daß sich das erfindungsgemäße System bei einer Vielzahl von Objektbestimmungs-Nachführungs- und Orientierungswinkelbestimmungen verwenden läßt. Eine gegenwärtig noch in der Entwicklungsphase befindliche Anwendung besteht in der Verfolgung der Bewegung und Orientierung eines Beobachtungskopfes, insbesondere dessen Sichtlinie, zur Verwendung in einem visuell gekoppelten Steuersystem. Andere mögliche Anwendungen, beispielsweise des zweidimensionalen Systems, ergeben sich bei verschiedenen Arten des Transportes in einer Ebene, wie beim Manövrieren von Schiffen oder bei der Aufrechterhaltung geeigneter Entfernungen zwischen Personenautos in einem automatisierten, öffentlichen Transportsystem. Andere Flugzeugnavigationsprobleme, die sich mit dem erfindungsgemäßen System lösen lassen, bestehen in der Ausrichtung von Raketensystemen in der Luft, selbsttätigem Ankuppeln von Tankerrohrdüse und Aufnehmer bei der Luftbetankung von Flugzeugen, Formationsfliegen, Instrumentenlandung von senkrecht startenden und landenden Flugzeugen und dergleichen.Although the system according to the invention is described in detail as an object tracking system for tracking the Movement and angular orientation of a generally distant object have been described is, it is clear that the system according to the invention is useful in a variety of object determination tracking and lets use orientation angle determinations. One application currently in development is tracking the movement and orientation of an observation head, in particular its line of sight, for use in a visually coupled control system. Other possible applications, for example the two-dimensional Systems, result from different types of transport in one plane, such as maneuvering of ships or when maintaining appropriate distances between passenger cars in an automated, public transport system. Other aircraft navigation problems associated with the present invention Let system solve, consist in the alignment of missile systems in the air, automatic Coupling of the tanker pipe nozzle and sensor for air refueling of aircraft, formation flying, Instrument landing of aircraft taking off and landing vertically and the like.

Hierzu 6 Blatt ZeichnungenIn addition 6 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Object tracking system, with means for emitting a directed magnetic field, with means located on the object for scanning the field and with means for deriving the misalignment of the field with respect to the scanning means from an error signal, the emitting and scanning means consisting of coils arranged orthogonally to one another , characterized in that the field is a nutation field (32, 164) with a nutation axis (50, 80, 180) coinciding with the direction vector of the field (32, 164)

2 System according to claim 1, characterized in that the nutation field (32, 164) is generated by superimposing dike and alternating current signals (68, DQ 70, 140, AQ AC 1, AC2) .

3. System according to claim 2, characterized in that the direct and alternating current signals (DQ AC, ACi, AC2) are modulation signals of a carrier frequency.

4. System according to one of claims 1 to 3, characterized in that for object tracking in two-dimensional space (x, y, 90, 92) the nutation takes place in the plane spanned by the coordinate axes (X. Y, 84, 86).

5. System according to one of claims 1 to 3, characterized in that the nutation takes place in two planes for object tracking in three-dimensional space (x, y, z, 90, 92, 170).

6. System according to claim 5, characterized in that the two planes are perpendicular to one another stand.

7. System according to claim 6, characterized in that the nutation of the nutation field (164) executes a movement on a cone surface around the direction vector (180) of the nutation field.

8. System according to one of claims 1 to 7, characterized in that the nutation axis (50, 80, 180) is tracked with the error signal.

9. System according to claim 8, characterized in that the alignment and / or the tracking of the nutation axis (50, 80, 180) takes place via coordinate transformation arrangements.

10. System according to claim 9, characterized in that the coordinate transformation arrangements Resolvers are.