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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Bestimmung der räumlichen
Ausrichtung mindestens eines Objektes, insbesondere eines Feldstechers,
in einem Simulator, einen Simulator sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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In
den verschiedensten Bereichen werden zu Übungszwecken Simulatoren verwendet,
in denen Personen gefahrlos die verschiedensten Situationen trainieren
können.
Zu den bekanntesten Anwendungsfällen
gehören
beispielsweise Fahr- und Flugsimulatoren, aber auch Gefechtssimulatoren
zum Beispiel im polizeilichen oder militärischen Umfeld. Dabei wird üblicherweise
die aktuelle Lage auf einer Anzeigevorrichtung dargestellt, wobei
die in die Simulation eingebundenen Personen durch ihre Handlungen
die Lage beeinflussen.
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Bestandteil
der Simulation sind häufig
Objekte, wie beispielsweise Feldstecher, Head Mounted Devices (HMD)
oder Waffen, die während
der Simulation im Simulator bewegt werden. Dabei ist es üblicherweise
notwendig, sowohl die Position als auch die räumliche Ausrichtung des Objektes
innerhalb des Simulators zu bestimmen. Bei einer Waffe wird so beispielsweise
das erfasste Ziel ermittelt oder bei einem Feldstecher der Bildausschnitt,
der angepeilt wird und daher vergrößert darzustellen ist.
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Zur
Ermittlung der räumlichen
Ausrichtung eines Objektes in einem Simulator sind verschiedene Systeme
bekannt, beispielsweise Magnetsensoren, akustische Systeme oder
Inertialsysteme. Derartige Systeme weisen den Nachteil auf, dass sie
oftmals sperrig oder schwer sind, einen hohen Energiebedarf aufweisen
oder nicht über
eine zufriedenstellende Genauigkeit verfügen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Ausrichtung mindestens
eines Objektes in einem Simulator bereitzustellen, das die vorgenannten
Nachteile nicht aufweist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Ein gattungsgemäßer Simulator
bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines Simulators sind in den Patentansprüchen 4 beziehungsweise
10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind den abhängigen Patentansprüchen zu
entnehmen.
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Eine
Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen
Ausrichtung mindestens eines Objektes, insbesondere eines Feldstechers,
in einem Simulator weist gemäß Patentanspruch
1 einen ersten Teil und einen zweiten Teil auf, wobei der erste
Teil zumindest teilweise ortsfest und der zweite Teil auf oder in
dem Objekt angeordnet ist. Der zweite Teil weist mindestens einen
Neigungssensor sowie ein Sendemodul mit bekannter Richtcharakteristik
auf und der erste Teil mindestens zwei ortsfeste Empfangsmodule
sowie eine Auswerteeinheit. Im Rahmen dieses Dokumentes ist der
Begriff ortsfest auf den Simulator bezogen. Der am oder im Objekt
angeordnete zweite Teil wird auch als Tracking-Sender bezeichnet.
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Die
räumliche
Ausrichtung des Objektes ist bekannt, wenn seine Drehlage um drei
linear unabhängige
Raumachsen bekannt ist. Bevorzugt liegen zwei dieser Achsen in einer
horizontalen Ebene und besonders bevorzugt in einem rechten Winkel
zueinander. Die dritte Achse steht bevorzugt senkrecht auf der horizontalen
Ebene. Die Neigungen um die ersten beiden Achsen werden mittels
zweier Neigungssensoren ermittelt. Optional ist nur ein Neigungssensor
vorgesehen, der die Neigung um eine Achse ermittelt, oder mehr als
zwei Neigungssensoren. Neigungssensoren, die beispielsweise eine
absolute Neigung aus einer horizonta len Lage heraus detektieren,
sind im Stand der Technik bekannt und werden daher an dieser Stelle
nicht detailliert beschrieben.
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Der
oder die Neigungswinkel werden über das
drahtlose Sendemodul mit bekannter Richtcharakteristik übertragen.
Die Aussendung des Sendemoduls wird von mindestens zwei, bevorzugt
drei bis fünf,
ortsfesten Empfangsmodulen empfangen und zusammen mit den Empfangssignalstärken der
Empfangsmodule an die Auswerteeinheit weitergeleitet. Aus den Empfangssignalstärken der
Empfangsmodule, der Richtcharakteristik des Sendemoduls und der
Position des Objektes wird dann der Drehwinkel des Objektes um die
dritte Achse bestimmt.
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Aufgrund
der bekannten Richtcharakteristik des Sendemoduls sind die Empfangssignalstärken an
den Empfangsmodulen abhängig
vom Drehwinkel und der Position des Objektes. Die Position des Objektes
ist entweder bekannt, beispielsweise weil das Objekt zwar seine
Ausrichtung, nicht aber seine Position innerhalb des Simulators ändern kann,
oder wird dynamisch bestimmt. Bevorzugt wird die Position des Objektes
aus den Laufzeitunterschieden der Aussendung vom Sendemodul am oder
im Objekt zu den ortsfesten Empfangsmodulen ermittelt. Alternativ ist
im Tracking-Sender mindestens ein Positionssensor angeordnet, der
die Position des Objekts ermittelt und diese zusammen mit den Neigungsinformationen über das
Sendemodul versendet.
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In
einem letzten Schritt wird die räumliche Ausrichtung
des Objektes durch Überlagerung
des mindestens einen Neigungswinkels und des Drehwinkels bestimmt.
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Befinden
sich mehrere Objekte im Simulator, so wird deren räumliche
Ausrichtung bevorzugt sequentiell bestimmt. Insbesondere werden
die zweiten Teile der Vorrichtung vom ersten Teil nacheinander zum Übertragen
des Neigungswinkels aufgefordert. Dazu weist der erste Teil optional
mindestens ein Sendemodul auf. Weiterhin weist der zweite Teil optional
ein Empfangsmodul auf. Durch ein Sendemodul am ersten Teil wird
ein Trigger-Impuls ausgesendet, nach dessen Empfang der zweite Teil
den oder die Neigungswinkel des Objektes bestimmt und über sein
Sendemodul überträgt. Der
erste Teil sendet sequentiell Trigger-Impulse an die Objekte, die
nacheinander ihre Aussendung übertragen.
Dazu verfügt
jeder Tracking-Sender über
eine eindeutige Kennung zur Identifikation, beispielsweise eine
Nummer. Die Sende- und/oder Empfangsmodule im ersten Teil sind bevorzugt über einen
Datenbus mit der Auswerteeinheit verbunden.
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Die
Sende- und Empfangsmodule arbeiten beispielsweise im Infrarotbereich
oder auf Funkfrequenzen, wie z. B. einem ISM-Band. Die Richtcharakteristik
des Sendemoduls im zweiten Teil wird beispielsweise durch eine Antenne
oder eine Infrarot-Sendediode mit bekanntem Richtdiagramm erzeugt.
Das Richtdiagramm des Sendemoduls weist über den vertikalen Öffnungswinkel
bevorzugt einen konstanten Gewinn auf.
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Die
Empfangsmodule weisen bevorzugt über ihren
räumlichen
Empfangsbereich eine konstante Empfindlichkeit auf. Eine über den
räumlichen
Empfangsbereich variierende Empfindlichkeit wird optional dadurch
kompensiert, dass aufgrund der bekannten oder ermittelten Position
des Objektes die Einfallsrichtung des Signals und damit die Empfindlichkeit
des Empfangsmoduls in diese Richtung bekannt ist.
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Die
Erfindung umfasst weiterhin einen Simulator mit einer Anzeigevorrichtung,
mindestens einem im Simulator ausrichtbaren Obejekt sowie einer
Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen
Ausrichtung mindestens eines Objekts im Simulator wie vorstehend
beschrieben. Bei dem Objekt handelt es sich beispielsweise um einen
Feldstecher mit mindestens einem Display zur Darstellung der Simulationsumgebung.
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Beim
Betrieb eines solchen Simulators wird zunächst anhand eines Verfahrens
wie vorstehend beschrieben die räumliche
Ausrichtung des Feldstechers bestimmt und der durch den Feldstecher
wahrzunehmende Bildausschnitt der Simulation berechnet, beispielsweise
in einem Bildgenerator. Der Bildausschnitt wird zum Feldstecher übertragen,
zum Beispiel per Kabel oder drahtlos über Funk oder Infrarot, und
auf mindestens einem Display im Feldstecher dargestellt.
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Die
vorliegende Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Dabei zeigt
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1 einen
Simulator mit zwei Feldstechern und
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2 die
Drehrichtungsbestimmung für
ein Objekt.
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1 zeigt
schematisch die Komponenten eines beispielhaften Simulators. Ein
Bildgenerator 14 ist mit einer Leinwand 13, zwei
Feldstechern 1 und 7 sowie einer Auswerteeinheit 26 verbunden.
Im Bereich der Leinwand 13 sind zwei Sendemodule 15 und 16 sowie
sieben Empfangsmodule 17 bis 23 angeordnet und
mit der Auswerteeinheit 26 verbunden. An den Feldstechern 1 und 7 sind
die Tracking-Sender 2 bzw. 8 angeordnet.
Der Tracking-Sender 2 weist zwei Neigungssensoren 3 und 4,
ein Empfangsmodul 5 und ein Sendemodul 6 auf.
Der Tracking-Sender 8 weist
zwei Neigungssensoren 9 und 10, ein Empfangsmodul 11 und
ein Sendemodul 12 auf. Die Auswerteeinheit 26,
die Sendemodule 15 und 16 und die Empfangsmodule 17 bis 23 bilden
einen ersten Teil einer Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen
Ausrichtung der Feldstecher 1 und 7 im Simulator.
Die Tracking-Sender 2 und 8 bilden jeweils einen
zweiten Teil der Vorrichtung.
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Der
Bildgenerator 14 erzeugt fortlaufend ein Abbild der aktuellen
Simulationsumgebung und übermittelt
dieses zur Darstellung an die Leinwand 13. Im vorliegenden
Beispiel ist die Leinwand 13 eben dargestellt, sie kann
jedoch eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise gewölbt, rund
oder mehreckig, wobei sie insbesondere eine Rundumdarstellung ermöglicht.
Der Bildgenerator 14 erzeugt ebenfalls Ausschnittsvergrößerungen
der Simulationsumgebung, die auf nicht dargestellten Displays in
den Feldstechern 1 und 7 wiedergegeben werden.
Der Bildausschnitt ist unter anderem abhängig von der Ausrichtung des
Feldstechers 1 bzw. 7 im Simulator.
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Die
räumliche
Ausrichtung eines Objektes ist bekannt, wenn seine Drehung um drei
unabhängige Raumachsen
bekannt ist. Im vorliegenden Beispiel dient eine horizontale Ebene
als Bezugsebene. Wie aus 2 ersichtlich, liegen die beiden
Achsen 24 und 25 senkrecht zueinander in dieser
Bezugsebene. Die dritte Achse steht senkrecht dazu auf der Bezugsebene.
Mittels der Neigungssensoren 3 und 4 wird die
Drehung des Feldstechers 1 um die Achse 24 beziehungsweise 25 ermittelt.
Eine Drehung um die Achse 25 entspricht einer Elevation
des Feldstechers, eine Drehung um die Achse 24 einer Kippung um
die Sichtachse. Die beiden Neigungswinkel werden beispielsweise
digital codiert und über
das Infrarot-Sendemodul 6 ausgesendet. Diese Aussendung wird
von einem oder mehreren der Empfangsmodule 17 bis 23 empfangen
und an die Auswerteeinheit 13 weitergeleitet. Das gleiche
gilt analog für
die Neigungswinkel des Feldstechers 7.
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Die
Ermittlung des Drehwinkels um die dritte Achse senkrecht auf der
horizontalen Bezugsebene wird nachfolgend anhand von 2 erläutert. Dabei ist
die Hauptstrahlrichtung des vom Sendemodul 6 ausgestrahlten
Infrarotsignals mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet. Der
Winkel, bei dem die Signalstärke
beispielsweise um 6dB gegenüber
der Hauptstrahlrichtung abgefallen ist, ist durch strichpunktierte
Linien dargestellt. Die gestrichelten Linien geben den Winkel an,
bei dem die Signalstärke
beispielsweise um 12dB im Vergleich zur Hauptstrahlrichtung abgefallen
ist. Aus 2 wird deutlich, dass jedes
der Empfangsmodule 17 bis 20 die Aussendung des
Tracking-Senders 2 mit unterschiedlicher Signalstärke empfängt. Die
Empfangsmodule übermitteln
neben den in der Aussendung codierten Daten auch ihre Empfangssignalstärke an die
Auswerteeinheit 26.
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Aus
der Position des Feldstechers 1 und den Empfangssignalstärken der
Empfangsmodule 17 bis 20 berechnet die Auswerteeinheit 26 die
Hauptstrahlrichtung des Signals und damit den Drehwinkel des Feldstechers 1.
Aus den beiden im Infrarotsignal übermittelten Neigungswinkeln
und dem berechneten Drehwinkel berechnet die Auswerteeinheit 26 nun
die räumliche
Ausrichtung des Feldstechers 1 im Simulator.
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Ist
die Position des Feldstechers 1 im Simulator konstant,
wie beispielsweise bei einem Feldstecher eines Beobachters in einem
Geschützturm
eines Panzers, so ist sie bevorzugt in der Auswerteeinheit 26 hinterlegt.
Ist die Position innerhalb des Simulators variabel, so gibt es verschiedene
Möglichkeiten
zu ihrer Ermittlung. In vorteilhafter Weise wird die Position des
Feldstechers 1 aus den Laufzeitunterschieden und damit
den Phasenverschiebungen des Infrarotsignals vom Sendemodul 6 zu
den Empfangsmodulen 17 bis 23 berechnet, beispielsweise
in der Auswerteeinheit 26. Alternativ wird die Position
des Feldstechers 1 aus den Laufzeitunterschieden der von
den Sendemodulen 15 und 16 ausgesendeten und vom
Empfangsmodul 5 empfangenen Signale berechnet und beispielsweise
zusammen mit den Neigungswinkel über
das Sendemodul 6 und die Empfangsmodule 17 bis 23 an
die Auswerteeinheit 26 übertragen.
Optional weist der erste Teil mehr als die zwei in 1 dargestellten
Sendemodule 15 und 16 auf, was insbesondere zur
Positionsbestimmung eines Tracking-Senders vorteilhaft ist.
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In
vorteilhafter Weise wird eine eventuell vorhandene Richtcharakteristik
der Empfangsmodule 17 bis 23, also eine winkelabhängige Empfindlichkeit, kompensiert.
Aus der bekannten oder berechneten Position des Feldstechers 1 wird
der Winkel berechnet, aus dem das Infrarotsignal auf das Empfangsmodul
auftrifft. Damit ist die Empfindlichkeit des Empfangsmoduls in diese
Richtung bekannt und wird zur Kompensation der Empfangssignalstärke verwendet. Dies
ist möglich,
bevor der Drehwinkel des Objekts ermittelt wird.
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In
dem in 1 dargestellten Beispiel werden die räumlichen
Ausrichtungen der Feldstecher 1 und 7 sequentiell
bestimmt. Dazu fordert die Auswerteeinheit die Tracking-Sender 2 bzw. 8 nacheinander zur Übertragung
der Neigungswinkel auf. Dazu senden die Sendemodule 15 und 16 Impulse
aus, die eine Information enthalten, welcher Tracking-Sender als
nächster
senden soll. Diese Impulse werden von den Empfangsmodulen 5 und 11 in
den Tracking-Sendern 2 beziehungsweise 8 empfangen.
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Das
vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
ist rein exemplarisch und insofern nicht beschränkend. Insbesondere kann die
Anzahl der Feldstecher sowie der Sende- oder Empfangsmodule variieren,
ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Weiterhin kann statt einer Übertragung
im Infrarotbereich eine andere Art der drahtlosen Datenübertragung
verwendet werden, beispielsweise Funk. Außerdem kann die räumliche
Ausrichtung von anderen Objekten als den im Beispiel verwendeten
Feldstechern bestimmt werden.