DE1463473C3

DE1463473C3 - Vorrichtung zur elektrischen Steuerung eines beweglichen Körpers längs eines vorgegebenen Leitpfades

Info

Publication number: DE1463473C3
Application number: DE19641463473
Authority: DE
Inventors: Sydney Brentford Middlesex Jones (Grossbritannien)
Original assignee: Rank Organization Ltd
Current assignee: Rank Organization Ltd
Priority date: 1964-04-28
Filing date: 1964-04-28
Publication date: 1974-09-19
Also published as: GB1046024A; NL298805A; DE1463473A1; DE1463473B2

Description

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

so 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 Auf-TiChaltgerät 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 Befehlssiufe 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 Additions- is glieds und über einen 90°-Phasenschieber mit dem Subtraktionsglied verbunden ist, so daß die Ausgangssignale der Multiplikationsglieder Regelgrößen in einem orthogonalen X-Y-Koordinaten-Regelsystem bilden. ao

Bei der erfindungsgemäßen 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 Rollwinkeis 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;

Fig. 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 Teleskop 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 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 subtrahierten 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 Verstärker 37 als auch auf den Verstärker 38 gegeben. Die Ausgangssignale von beiden Verstärkern 37, 38 wer, den auf ein Multiplikationsglied 41 als ^-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 !^-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

die Photozellen 31, 32 selbst sich in kreisförmigen Bahnen auf der Oberfläche der Modulationsscheibe 11 bewegen würden. Wenn der Mittelpunkt 46 einer Verbindungslinie der beiden Photozellen 31, 32 auf einer Projektion der optischen Achse der Linse 10 und dem Zentrum der Modulationsscheibe 11 liegt, dann wird das Signal, das an jeder der beiden Photozellen 31 und 32 empfangen wird, identisch in der Frequenz und auch in der Amplitude moduliert. Die beiden Signale haben jedoch einen Phasenunterschied von 180°. Dieses kann infolge der Umkehrbarkeit des Lichts ohne weiteres als Zustand gedeutet werden, in dem die Bilder von beiden Photozellen 31 und 32 sich auf einem gemeinsamen Kreis auf der Modulationsscheibe 11 bewegen, wobei der Mittelpunkt dieses Kreises im Zentrum der Modulationsscheibe 11 liegt. Wenn sich jedoch der Mittelpunkt 46 von dieser Linie entfernt, bewegen sich die Bilder der Photozellen 31, 32 auf zwei getrennten Kreisen, von denen keiner seinen Mittelpunkt im Zentrum der Modulationsscheibe 11 hat. Die an den Photozellen 31, 32 empfangenen Signale sind daher in der Frequenz unterschiedlich moduliert. Es kann gezeigt werden, daß die augenblickliche Frequenz (/) des Photozellenausgangs als VD

p — IWt

wobei die Entfernung zwischen den Photozellen 31, 32 und daher gleich x₂ —X₁ ist. Dadurch ist ein Bezugssignal der Form von

VD R

COS W t

gebildet und bei 90° Phasenverschiebung ein Bezugssignal der Form von

VD ~R

sin w t.

Die Summe der Ausgangssignale der Diskriminatoren 33, 34 beträgt

2V R

T COS (tx — Wt),

n"0

"'-£4 COS (K₁ -

ausgedrückt werden kann, wobei j_m die mittlere Zerhackfrequenz, r und X₁ die Polarkoordinaten der Photozellenanordnung und R der Radius des Kreises ist, der in der Ebene der Photozellen 31, 32 auf der Modulationsscheibe 11 gezogen wird. W ist die Winkelgeschwindigkeit der Linse 12. Die Ausgangsspannung V₁ des Diskriminators 33, auf den das Ausgangssignal der Photozelle 31 gegeben wird, ist dann

40

Die höheren Harmonischen und der Gleichanteil sind unberücksichtigt. V ist eine Konstante für die Empfindlichkeit des Diskriminators. Wenn eine Linie, die parallel zu der verläuft, welche die Photozellen 31, 32 verbindet und die durch die Projektion der optischen Achse des Kondensors 10 führt, als die x-Achse betrachtet wird, dann kann diese Gleichung in Vektorform gebracht werden, wobei X₁ und y_v als cartesische Koordinaten für den Ort der Photo- 5« zellen 31, 32 benutzt werden; die Gleichung lautet dann

55

In dem betrachteten Fall sind, wenn die cartesischen Koordinaten der Photozelle 32 (x₂, y₂) sind und die des Mittelpunkts 46 (x, y) sind, ist

60

Die Summe dieser beiden Ausgangssignale ist gleich

und die Differenz

wobei r und α die Polarkoordinaten der Abweichung des Mittelpunkts sind. Die Ausgangssignale der Glieder 41, 42 sind den entsprechenden Koordinaten proportional.

Es ist ersichtlich, daß die Ausgangssignale des Gliedes 42 proportional sowohl zur Amplitude der Spannung der Photozellen 31, 32 als auch zur betreffenden Koordinate sind, so daß Spannungsänderungen ausgeglichen werden müssen, wenn ein Signal direkt proportional zur Koordinate erforderlich ist. In dem gezeigten Stromkreis erfüllt die Rückkopplungsschleife, die den Amplitudendetektor 39 und den Niederfrequenz-Bandpaßfilter 40 aufweist, diese Funktion, indem sie bewirkt, daß beide Verstärker 37 und 38 als Regelverstärker wirken. Mittels der Rückkopplungsschleife wird die Amplitude der Signale im wesentlichen unabhängig von einer Abweichung von der Nullage gemacht, was einen großen Vorteil bedeutet, da die Signale direkt auf eine Verstellvorrichtung zur Steuerung des Fahrzeugs 3 (Fig. 1) gegeben werden können.

Bei dem Sender nach F i g. 5 erfolgt eine virtuelle Drehung. Er weist eine Fadenlampe 60 auf, die in der Brennpunktebene eines Kondensors 61 angeordnet ist, so daß eine Modulationsscheibe 62 gleichförmig beleuchtet wird. Zwischen der Modulationsscheibe 62 und einer Linse 63, die das Äquivalent zur Linse 12 in F i g. 2 ist, ist ein Rahmen 62 zwecks Drehung der optischen Achse des Linsensystems angeordnet. Der Rahmen schließt zwei Prismen 65 und 66 ein, deren Reflektionsflächen parallel sind, wobei die des Prismas 65, dessen Mitte auf der optischen Achse liegt, in Richtung der Linse 63, und die des Prismas 66, dessen Mitte von dieser Achse verschoben ist, in Richtung Modulationsscheibe 62 zeigt. Das Bild von der optischen Achse der Linse 63 bewegt sich auf einer kreisförmigen Bahn über die Modulationsscheibe 62, wenn die Prismenanordnung gedreht wird.

Die Anordnung gemäß der Fig. 2 weist eine einzige Linse 30 hinter der Linse 12 auf. Die in Fig. 5 gezeigte Anlage hat keine weitere Linse hinter der Linse 63. Beide Sender können jedoch mit weiteren Linsen ausgestattet werden, die den Divergenzwinkel verringern und so den Bereich des Senders 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) aufweist, 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 Ausgangssignale der Multiplikationsglieder (41, 42) Regelgrößen in einem orthogonalen A'-F-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-Bandpaßfilter (40) auf die Eingänge beider Verstärker (37, 38) rückgekoppelt ist.