DE1463473B2

DE1463473B2 - Vorrichtung zur elektrischen Steuerung eines beweglichen Körpers längs eines vorgegebenen Leitpfades

Info

Publication number: DE1463473B2
Application number: DE19641463473
Authority: DE
Inventors: Sydney Brentford Middlesex Jones (Grossbritannien)
Original assignee: RANK ORGANISATION Ltd LONDON
Current assignee: RANK ORGANISATION Ltd LONDON
Priority date: 1964-04-28
Filing date: 1964-04-28
Publication date: 1974-02-07
Also published as: GB1046024A; NL298805A; DE1463473A1; DE1463473C3

Description

60

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektrischen Steuerung eines beweglichen Körpers längs eines vorgegebenen Leitpfades, mit einem Lichtstrahlen aussendenden Sender, einem mit mindestens einer Photozelle ausgerüsteten Empfänger, einem im Strahlengang zwischen Sender und Empfänger angeordneten optischen System, das eine in Sektoren unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit unterteilte Modulationsscheibe enthält, deren Zentrum mit konstanter Drehzahl — reell oder virtuell — auf einer Kreisbahn um die optische Achse des optischen Systems umläuft, sowie mit einem Wandler, der die vom Empfänger empfangenen, in Abhängigkeit von der Abweichung des beweglichen Körpers von der Leitpfadfrequenz modulierte Lichtstrahlen in elektrische Signale umwandelt.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (USA.-Patentschrift 2 989 640) ist das optische System ortsfest angeordnet, wohingegen der Sender am beweglichen Körper untergebracht ist. Empfänger und Wandler sind wiederum ortsfest angeordnet. Ein derartiger Aufbau zur Nachsteuerung eines beliebigen Körpers ist jedoch mit Nachteilen behaftet. Beispielsweise bei der Nachsteuerung eines Flugkörpers muß bei der bekannten Vorrichtung zunächst der Rollwinkel des Flugkörpers ermittelt werden. Anschließend werden die vom Wandler verarbeiteten Ausgangssignale des Empfängers in Abhängigkeit von dem Rollwinkel umgewandelt. Erst die auf diese Weise transformierten Ausgangssignale können für die zur Einhaltung der vorgegebenen Flugbahn erforderlichen Stellbewegungen der Steuerorgane des Flugkörpers herangezogen werden. Zur Ermittlung des Rollwinkels wird ein besonderer Kreisel benötigt, was den Aufwand erheblich vergrößert. Zur Vergrößerung des Aufwands trägt auch die erforderliche Koordinatentransformation bei. Der Grund für die obigen Nachteile ist darin zu sehen, daß infolge der ortsfesten Anordnung von Empfänger und Wandler die Ausgangssignale des Wandlers naturgemäß auf ein ortsfestes Koordinatensystem bezogen sind, während die zur Nachsteuerung des Flugkörpers erforderlichen Stellgrößen auf ein flugkörperfestes Koordinatensystem bezogen sein müssen. Schließlich müssen bei der bekannten Vorrichtung Mittel vorgesehen werden, um Befehlssignale vom ortsfesten Wandler auf den beweglichen Körper zu übertragen, was beispielsweise per Draht oder elektromagnetischer Wellen erfolgt.

Es ist bereits eine nach dem Leitstrahlverfahren arbeitende Fernlenkeinrichtung für Flugkörper vorgeschlagen worden (deutsche Auslegeschrift 1 292 509), deren Nick- und Gierachse parallel zu den auf der Leitstrahlachse senkrecht stehenden orthogonalen Bezugsachsen stabilisiert sind, wobei von dem Leitstrahlsender ein gebündelter Lichtstrahl ausgesandt wird, entlang dem sich der Flugkörper gemäß den von seinem Bordempfänger aufgenommenen Lichtstrahlen bewegt. Die Lichtsignale weisen zur Angabe der Abweichung des Flugkörpers von der Leitstrahlachse eine Kennung auf und werden über ein Aufschaltgerät in Steuerimpulse umgewandelt. Bei der vorgeschlagenen Fernlenkeinrichtung wird die Kennung in der einen Bezugsachse durch ein mit der Abweichung veränderliches Zeitdauerverhältnis von zwei verschiedenen Impulsfrequenzen, deren Gesamtdauer konstant ist, erhalten. In der anderen Bezugsachse wird eine von der Abweichung abhängige Phasenverschiebung erhalten, die zwischen der mittleren Zeitdauer einer der beiden Impulsfrequenzen und einer mit der Frequenz dieser mittleren Zeitdauer durchgeführten Amplitudenmodulation der Impulse entsteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Empfänger für eine Vorrichtung zur elektrischen Steuerung eines beweglichen Körpers längs eines vorgegebenen Leit-

pfades so auszubilden, daß er ohne Zwischenschaltung einer Befehlsstufe direkt als Regler eines Koordinaten-Regelsystems für den beweglichen Körper dient. Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Empfänger zwei lichtempfindliche Elemente aufweist, die in kleinem Abstand voneinander in einer Ebene angeordnet sind, daß der Wandler ein Additionsglied und ein Subtraktionsglied aufweist, die über Diskriminatoren an den Ausgang beider lichtempfindlicher Elemente angeschlossen sind, daß ferner ein Multiplikationsglied mit den Ausgängen von Additionsglied und Subtraktionsglied verbunden ist und daß ein weiteres Multiplikationsglied vorgesehen ist, das mit dem Ausgang des Additionsglieds und über einen 90°-Phasenschieber mit dem Subtraktionsglied verbunden ist, so daß die Ausgangssignale der Multiplikationsglieder Regelgrößen in einem orthogonalen X-F-Koordinaten-Regelsystem bilden.

Bei der erfmdungsgemäßen Vorrichtung wird ein Koordinatensystem durch die beiden lichtempfindlichen Elemente definiert. Die erfindungsgemäß verarbeiteten Ausgangssignale der lichtempfindlichen Elemente können somit unmittelbar Regelgrößen in einem orthogonalen X-Y-Koordinaten-Regelsystem bilden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn Empfänger und Wandler am beweglichen Körper angeordnet sind. Bei einer Veränderung des Rollwinkels des beweglichen Körpers dreht sich entsprechend das Koordinatensystem, d. h., daß durch die Ausgangssignale des Wandlers dargestellte Kursabweichungen auf ein körperfestes Koordinatensystem bezogen sind, so daß zur Nachsteuerung des beweglichen Körpers weder die Messung des Rollwinkels noch ein Rechner zur Koordinatentransformation in Abhängigkeit von dem Rollwinkel erforderlich ist. Bei Anordnung von Empfänger und Wandler am beweglichen Körper entfallen auch besondere Vorkehrungen zur Übertragung von Befehlssignalen auf die Stellvorrichtung für die Steuerorgane des beweglichen Körpers. Schließlich wird der Vorteil erhalten, daß infolge von zwei lichtempfindlichen Empfängern über große Entfernungen zwischen Sender und Empfänger gearbeitet werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen näher beschrieben werden.

F i g. 1 ist eine schematische Ansicht einer Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

F ig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Senders;

F i g. 3 ist eine Aufrißansicht einer Modulationsscheibe;

F i g. 4 ist ein Blockschaltbild eines Empfängers.

F i g. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Senders.

Ein Sender 1 ist an einem festen Ort und ein Empfänger 2 auf einem beweglichen Körper, hier einem Dränpflug 3 angeordnet. Der Sender 1 ist auf einem Dreifuß 4 angeordnet. Die notwendige Stromversorgung und die Höhensteuerung sind in einem Teil 5 untergebracht, das unmittelbar an dem Dreifuß 4 befestigt ist. Von dem Teil 5 erstreckt sich ein Mast 6 nach oben und trägt an seiner Spitze ein Gehäuse 7, welches an einer Seite 8 offen ist und das optische System für den Sender 1 enthält. Der Schwerpunkt ist so niedrig wie möglich gelegt und die Windangriffsfläche der oberen Teile klein gehalten, so daß die Windeinwirkung nicht zu groß ist.

Der Sender ist mit Steuereinrichtungen für den Azimut und die Höhe versehen und kann ein TeIeskop aufweisen, um das Richten zu erleichtern.

Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung des optischen Systems in dem Gehäuse 7. Eine Fadenlampe 9, die unter Unterspannung steht, um ihre Lebensdauer zu erhöhen und den Verbrauch zu verringern, ist in der Brennpunktebene eines Kondensors 10 angeordnet. Den Kondensor 10 verläßt daher paralleles Licht, das auf eine Modulationsscheibe 11 fällt. Die Modulationsscheibe 11 ist eine dünne, rostfreie, photogeätzte Stahlplatte und weist eine Reihe von abwechselnd hellen und dunklen Sektoren auf, wie in den Fig. 3 und 5 gezeigt. Beide Figuren zeigen Modulationsscheiben mit sechzehn Sektoren, obwohl die Anzahl verändert werden kann. Die Modulationsscheibe 11 ist in der Brennpunktebene

ao einer Linse 12 angeordnet, die auf einer Welle 13 befestigt ist, welche in Lagern 14 und 15 drehbar gelagert ist, die über Halterungen 16 und 17 von den Wänden des Gehäuses 7 gehalten werden. Die Achse, um die sich die Linse 12 dreht, ist gleich mit der optischen Achse des Kondensors 10 und der Mitte der Modulationsscheibe 11, aber die optische Achse der Linse 12 ist exzentrisch zu dieser angeordnet. Die Welle 13 wird über einen Riemen 18 von einem Elektromotor 19 angetrieben. Andere Antriebsarten sind möglich. Das Licht, das die Linse 12 verläßt, geht durch eine weitere Linse 30. Der Lichtstrahl, der von der Linse 30 ausgeht, hat einen sehr kleinen Streuwinkel.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß dieser Strahl auf den Sender 2 fällt. Der Empfänger weist zwei Photozellen 31 und 32 auf, deren Empfangsflächen in einer Ebene liegen und durch eine kleine Strecke voneinander getrennt sind, wie es in F i g. 4 gezeigt ist. An jede Photozelle 31, 32 ist ein Diskriminator 33 bzw. 34 angeschlossen. Die Ausgangssignale werden vom Diskriminator 33, 34 sowohl auf ein Additionsglied 35 als auch auf ein Subtraktionsglied 36 gegeben. Die addierten Signale werden auf einen veränderlichen Vorverstärker 37 gegeben und die subtränierten Signale auf einen Anpassungsverstärker 38, Der Verstärker 38 hat eine Rückkopplungsschleife, die durch einen Amplitudendetektor 39 und ein Niederfrequenz-Bandpaßfilter 40 gebildet wird. Das Rückkopplungssignal wird sowohl auf den Verstär-

So ker 37 als auch auf den Verstärker 38 gegeben. Die Ausgangssignale von beiden Verstärkern 37, 38 wer, den auf ein Multiplikationsglied 41 als ;c-Koordinatendetektor 41 gegeben, und das Ausgangssignal des Verstärkers 37 wird auf ein Multiplikationsglied 42 als y-Koordinatendetektor gegeben zusammen mit dem Ausgangssignal des Verstärkers 38, nachdem dieses in einem Phasenschieber 43 einer 90°-Phasenverschiebung unterworfen wurde. Die Ausgangssignale 44 und 45 von x- bzw. y-Koordinatendetektoren können entweder auf Instrumente gegeben werden, die die Abweichung des beweglichen Körpers vom Leitpfad anzeigen oder auf Glieder eines Regelkreises für den beweglichen Körper zwecks Verstellung in die gewünschte Soll-Richtung.

Im Betrieb wird die Linse 12 durch den Motor 19 gedreht, und diese Drehung bewirkt, daß das von den Photozellen 31 und 32 empfangene Licht so in der Frequenz und Amplitude moduliert wird, als ob

—iwt

die Photozellen 31,32 selbst sich in kreisförmigen VD

Bahnen auf der Oberfläche der Modulationsscheibe 11 _R
bewegen würden. Wenn der Mittelpunkt 46 einer

Verbindungslinie der beiden Photozellen 31, 32 auf wobei die Entfernung zwischen den Photozellen 31,

einer Projektion der optischen Achse der Linse 10 5 32 und daher gleich X₂-X₁ ist. Dadurch ist ein Be-

und dem Zentrum der Modulationsscheibe 11 liegt, zugssignal der Form von
dann wird das Signal, das an jeder der beiden Photo-

zellen 31 und 32 empfangen wird, identisch in der ^VD _cos _wt

Frequenz und auch in der Amplitude moduliert. Die R

beiden Signale haben jedoch einen Phasenunter- i° ._=

schied von 180°. Dieses kann infolge der Umkehr- gebildet und bei 90° Phasenverschiebung ein Bezugs-

barkeit des Lichts ohne weiteres als Zustand gedeutet signal der Form von
werden, in dem die Bilder von beiden Photozellen 31

und 32 sich auf einem gemeinsamen Kreis auf der _ " ** _sm _{w t}
Modulationsscheibe 11 bewegen, wobei der Mittel- 15 R
punkt dieses Kreises im Zentrum der Modulationsscheibe 11 liegt. Wenn sich jedoch der Mittelpunkt 46 Die Summe der Ausgangssignale der Diskriminavon dieser Linie entfernt, bewegen sich die Bilder toren 33, 34 beträgt
der Photozellen 31, 32 auf zwei getrennten Kreisen,

von denen keiner seinen Mittelpunkt im Zentrum 20 -=—- r cos (α — w f),

der Modulationsscheibe 11 hat. Die an den Photo- R
zellen 31, 32 empfangenen Signale sind daher in der

Frequenz unterschiedlich moduliert. Es kann gezeigt wobei r und α die Polarkoordinaten der Abweichung

werden, daß die augenblickliche Frequenz (/) des des Mittelpunkts sind. Die Ausgangssignale der Glie-

Photozellenausgangs als 25 der 41, 42 sind den entsprechenden Koordinaten

proportional.

^⁰L r_\ / _ λ Es ist ersichtlich, daß die Ausgangssignale des

f =fm 2j γ —> COS(A₁ wt) Gliedes 42 proportional sowohl zur Amplitude der ""° ^{l J} Spannung der Photozellen 31,32 als auch zur beausgedrückt werden kann, wobei f_m die mittlere Zer- 30 treffenden Koordinate sind, so daß Spannungsändehackfrequenz, r und Ot₁ die Polarkoordinaten der rungen ausgeglichen werden müssen, wenn ein Signal Photozellenanordnung und R der Radius des Kreises direkt proportional zur Koordinate erforderlich ist. ist, der in der Ebene der Photozellen 31, 32 auf der In dem gezeigten Stromkreis erfüllt die Rückkopp-Modulationsscheibe 11 gezogen wird. W ist die lungsschleife, die den Amplitudendetektor 39 und Winkelgeschwindigkeit der Linse 12. Die Ausgangs- 35 den Niederfrequenz-Bandpaßfilter 40 aufweist, diese spannung V₁ des Diskriminator 33, auf den das Funktion, indem sie bewirkt, daß beide Verstärker 37 Ausgangssignal der Photozelle 31 gegeben wird, ist und 38 als Regelverstärker wirken. Mittels der Rückdann kopplungsschleife wird die Amplitude der Signale r im wesentlichen unabhängig von einer Abweichung ^v\ — ^V ~J7 ^cos (^αι ~ ^wt>" 40 von der Nullage gemacht, was einen großen Vorteil

bedeutet, da die Signale direkt auf eine Verstell-

Die höheren Harmonischen und der Gleichanteil vorrichtung zur Steuerung des Fahrzeugs 3 (Fig. 1)

sind unberücksichtigt. V ist eine Konstante für die gegeben werden können.

Empfindlichkeit des Diskriminators. Wenn eine Linie, Bei dem Sender nach Fig. 5 erfolgt eine virtuelle

die parallel zu der verläuft, welche die Photozellen 45 Drehung. Er weist eine Fadenlampe 60 auf, die in

31, 32 verbindet und die durch die Projektion der der Brennpunktebene eines Kondensors 61 angeord-

optischen Achse des Kondensors 10 führt, als die net ist, so daß eine Modulationsscheibe 62 gleich-

ΛΓ-Achse betrachtet wird, dann kann diese Gleichung förmig beleuchtet wird. Zwischen der Modulations-

in Vektorform gebracht werden, wobei X₁ und V₁, als scheibe 62 und einer Linse 63, die das Äquivalent

cartesische Koordinaten für den Ort der Photo- 50 zur Linse 12 in Fig. 2 ist, ist ein Rahmen 62 zwecks

zellen 31, 32 benutzt werden; die Gleichung lautet Drehung der optischen Achse des Linsensystems an-

dann geordnet. Der Rahmen schließt zwei Prismen 65 und

V 66 ein, deren Reflektionsflächen parallel sind, wobei

^i ⁼ "Γ"(*ι + /3Ί)β ^lwt ■ die des Prismas 65, dessen Mitte auf der optischen

55 Achse liegt, in Richtung der Linse 63, und die des

_T , , . , . . τ-. 1, · j α· Prismas 66, dessen Mitte von dieser Achse verscho-

In dena betrachteten Fall sind wenn die car- _in'Richtung Modulationsscheibe 62 zeigt.

tesischen Koordinaten der Photozelle 32 (x y₂) sind _Das ' _{yon der} 8.^^ ^^ ^ ^ _ß £_

und die des Mittelpunkts 46 (x, y) sind, ist _wegt ^ _auf ^ ^_Μοηα^_α _{Bahn über die}

γ 6o Modulationsscheibe 62, wenn die Prismenanordnung

V₂ = — (x₂ + Jy₂) e-' ^w'. gedreht wird.

•K Die Anordnung gemäß der Fig. 2 weist eine

einzige Linse 30 hinter der Linse 12 auf. Die in

Die Summe dieser beiden Ausgangssignale ist gleich Fig. 5 gezeigte Anlage hat keine weitere Linse

2 V ⁶5 hinter der Linse 63. Beide Sender können jedoch mit

——(x + jy)e-^wt weiteren Linsen ausgestattet werden, die den Diver-

genzwinkel verringern und so den Bereich des Senders

und die Differenz vergrößern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur elektrischen Steuerung eines beweglichen Körpers längs eines vorgegebenen Leitpfades mit einem Lichtstrahlen aussendenden Sender, einem mit mindestens einer Photozelle ausgerüsteten Empfänger, einem im Strahlengang zwischen Sender und Empfänger angeordneten optischen System, das eine in Sektoren unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit unterteilte Modulationsscheibe enthält, deren Zentrum mit konstanter Drehzahl — reell oder virtuell — auf einer Kreisbahn um die optische Achse des optischen Systems umläuft, sowie mit einem Wandler, der die vom Empfänger empfangenen, in Abhängigkeit von der Abweichung des beweglichen Körpers von der Leitpfadfrequenz modulierte Lichtstrahlen in elektrische Signale umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger zwei lichtempfindliche Elemente (31, 32) aufweist, die in kleinem Abstand voneinander in einer Ebene angeordnet sind, daß der Wandler ein Additionsglied (35) und ein Subtraktionsglied (36) auf- weist, die über Diskriminatoren (33, 34) an den Ausgang beider lichtempfindlicher Elemente (31, 32) angeschlossen sind, daß ferner ein Multiplikationsglied (41) mit den Ausgängen von Additionsglied (35) und Subtraktionsglied (36) verbunden ist und daß ein weiteres Multiplikationsglied (42) vorgesehen ist, das mit dem Ausgang des Additionsglieds (35) und über einen 90°-Phasenschieber (43) mit dem Subtraktionsglied (36) verbunden ist, so daß die Ausgangs- signale der Multiplikationsglieder (41, 42) Regelgrößen in einem orthogonalen X-Y-Koordinaten-Regelsystem bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Sender (9) als auch das optische System (20, 30) ortsfest und unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, während die lichtempfindlichen Elemente (31,32) des Wandlers am beweglichen Körper (3) angebracht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Additions- bzw. des Subtraktionsglieds (35, 36) und dem Eingang der Multiplikationsglieder (41, 42) ein Verstärker (37, 38) geschaltet ist und daß der Ausgang des mit dem Subtraktionsglied verbundenen Verstärkers (38) über einen Amplitudendetektor (39) und ein Niederfrequenz-B andpaßfilter (40) auf die Eingänge beider Verstärker (37, 38) rückgekoppelt ist.