DE3128433A1

DE3128433A1 - "vorrichtung zur positionsbestimmung eines objektes, insbesondere eines wasserfahrzeugs"

Info

Publication number: DE3128433A1
Application number: DE19813128433
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 2800 Bremen Gerlach
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1981-07-18
Filing date: 1981-07-18
Publication date: 1983-02-03
Also published as: DE3128433C2

Description

Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Objektes,
insbesondere eines Wasserfahrzeugs.
================================================== Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Objektes, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, wie Vermessungsschiffod.dgl., der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Mit einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird von einem vermessenen Standort aus die Position eines ObJektes aus der Entfernung zum Objekt und aus der Winkelablage des Objektes von einer bekannten Bezugslinie (z. B. Nordrichtung) bestimmt. Hierzu ist der Entfernungsmesser auf das Objekt auszurichten, wobei die Drehung des Entfernungsmessers von der Bezugslinie in die Ausrichtstellung zu dem Objekt von dem Winkelmesser erfaßt und als Winkelablage ausgegeben wird. Zur Erleichterung der Ausrichtung ist ein Zielfernrohr mit dem Entfernungsmesser verbunden. Bei exakter Ausrichtung des Entfernungsmessers werden vom Sender abgestrahlte Laserimpulse von einem am Objekt angeordneten Tripelspiegel reflektiert und vom Empfänger detektiert. Die Laufzeit der einzelnen Impulse zwischen Aussenden und Empfang wird in einer Auswerteschaltung gemessen und in eine Entfernungsinformation umgewandelt, die angezeigt oder registriert wird.
Die bekannte Vorrichtung wird ausschließlich zur Ortsbestimmung eines im wesentlichen unbeweglichen Objektes verwendet. Es ist zwar grundsätzlich möglich, auch die Position eines sich sehr langsam bewegenden Objektes zu bestimmen, doch bedarf es hierzu der manuellen Nachführung des Entfernungsmessers durch eine Bedienungsperson. Aufgrund der manuellen Nachführung und der damit verbundenen Ausrichtzeit des Entfernungsmessers ist eine Positionsbestimmung des beweglichen Objektes auch nur diskontinuierlich möglich. Völlig versagt die bekannte Vorrichtung bei sich relativ schnell bewegenden Objekten, z. B. bei einem im kurzen Abstand von der Vorrichtung mit Arbeitageachwindigkeit fahrenden Vermessungsschiff, dessen Position zu jedem Zeitpunkt bekannt sein muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Objektes der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine automatische Nachführung des auf das zu vermessende Objekt ausgerichteten Entfernungsmessers bei sich bewegendem Objekt zuverlässig gewährleistet und somit nach einmaliger Ausrichtung auf das Objekt laufende Positionsangaben über das ortsveränderliche Objekt liefert.
Diese Anfgabe ist bei einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Objektes, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale in Kennzeichnungsteil gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der auf das Objekt ausgerichtete Entfernungsmesser stets dem sich bewegenden Objekt automatisch und zuverlässig nachgeführt. Bei einer praktischen Erprobung war eine zuverlässige Nachführung selbst noch bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von ca. 60 km/h eines im Abstand von 500 m befindlichen Objekts gegeben. Die Positionsbe- stimmung des sich bewegenden Objektes erfolgt kontinuierlich, so daß für jeden Zeitpunkt der Objekt -bewegung dem Objekt eine exakte Position einwandfrei zugeordnet werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist technisch einfach aufgebaut und läßt sich mit relativ geringen Kosten herstellen. Durch die scharfe Bündelung des Sendestrahls in Horizontalrichtung und die Schwenkung des Sendestrahls ist selbst für große Entfernungen von Vorrichtung und Objekt eine nur geringe Sendeleistung erforderlich. Aufgrund dieser geringen Sendeleistung ist auch bei Verwendung eines Lasers in der Vorrichtung letztere bei Beachtung der Richtlinien nach DiN ISC 76 (co) 6/VDE 0837/.. .81, Laserklasse III A ungefährlich.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 3. Durch diese Maßnahmen läßt sich in technisch einfacher und kostengünstig vorteilhafter Weise die Schwenkung des Sendestrahls in Horizontolrichtung realisieren.
Eine vorteilhafte Ausfffhrungaform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 4, insbesondere in Verbindung mit den weiteren Ausführungsformen gemäß Anspruch 5 bis 7. Durch diese Maßnahmen läßt sich eine besonders zweckmäßige Regelungsschaltung aufbauen, deren Vorteil ia niedrigen Herstellungskosten und weitgehender Störunanfälligkeit liegt. Die Regelungsschaltung ist relativ empfindlich, da durch die Anordnung der Spulen in der Brückenschaltung bereits sehr geringe Auslenkungen der Schwinge aus der optischen Achse des Senders festgestellt werden können. Dabei sind die Spulenpaare mechanisch derart angeordnet, daß durch Temperaturschwankungen verursachte Naterialausdehnungen kompensiert werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung findet sich ferner in Anspruch 8. Durch diese Maßnahmen ergibt sich unter Mehrfachausnutzung der Fühlvorrichtung ein einfaches Antriebssystem zur Schwenkung des Sendestrahls. Da die die Sendediode tragende Schwinge eine sehr geringe mechanische Dämpfung aufweist, ist die Schwingungsamplitude der Schwingung trotz des einfachen Zweipunktregelprinzips nahezu konstant und gleich dem von dem Sollwertgeber vorgegebenen Sollwert der maximalen Schwingungsamplitude. Auf diese Weise läßt sich eine Amplitudendynamik von 1:50 realisieren.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 9. Dadurch ist es möglich, auch bei großer Entfernung zwischen Vorrichtung und Zielobjekt selbst Zielobjekte mit in Horizontalrichtung geringer Ausdehnung, wie sie z. B. Reflektoren in Form von Tripelspiegeln am Mast eines Vermessungsschiffes darstellen1 zuverlässig zu erfassen und damit die Nachführung sicherzustellen. Der eingestellte Sollwert der maximalen Schwingungsamplitude wird dabei so festgelegt, daß das Zielobjekt mindestens noch von einem der während jeder Schwingung die Schwinge ausgesendeten Laserimpulse getroffen wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 10, insbesondere in Verbindung mit den Ausführungsformen gemäß Anspruch 11 und 12. Durch diese Maßnahmen ist sichergestellt, daß bei Unterbrechung der optischen Sichtverbindung zwischen Vorrichtung und Zielobjekt, z. B. durch ein vorbeifahrendes Schiff, das Zielobjekt nach Wiederherstellung der Sichtverbindung sofort wieder erfaßt wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich auch aus den weiteren Ansprüchen, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der prinzipiellen Aufstellung einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung in Ausrichtung auf ein fahrendes Vermessungsschiff, dessen Standort laufend vermessen werden soll, Fig. 2 in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Positionsbestimmung in Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Positions- oder Ortsbestimmung eines Objektes schematisch dargestellt, wie sie zur laufenden Ortsbestimmung eines Vermessungsschiffes 10 verwendet wird. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse 11 auf, das auf einem Tripoden 12 ruht und damit stabil im Gelände aufstellbar ist. Die Vorrichtung wird dabei an einem kartographisch vermessenen Standort aufgestellt, wie er z. B. durch an Flußläufen vorhandenen Hektometersteinen 13 gegeben ist. Das Vermessungsschiff 10 trägt an seinem Mast 14 einen Reflektorkranz 15 in Form von ringförmig angeordneten Tripelspiegeln, die gute Reflexionseigenschaften haben und einfallende Lichtstrahlen nahezu ohne Reflexionsverluste in exakt die gleiche Richtung zurückwerfen. Ein Teil der Baugruppen der Vorrichtung ist in dem Gehäuse 11 und ein Teil der Baugruppen in einem weiteren Behälter 16 untergebracht, der über ein elektrisches Kabel 17 mit dem Gehäuse 11 verbunden ist. Der Behälter 16 enthält auch die Stromversorgung der Vorrichtung.
Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, weist die Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Objektes einen aktiven optischen Entfernungsmesser 18 auf, der einen optischen Sender 19 und einen optischen Empfänger 20 enthält. Der Sender 19 weist ein Objektiv 21 und eine in der Fokusebene des Objektivs 21 angeordnete Lichtquelle in Form einer Lasersendediode 22 auf. Der optische Empfänger 20 weist ebenfalls ein Objektiv 23 und weiterhin eine in der Abbildungsebene des Objektivs 23 angeordnete Fotodiode 24 auf, welche über das Objektiv 23 einfallende Lichtechos - als Folge der Lichtaussendung durch den Sender 19 und Reflexion am Reflektorkranz 15 des Wasserfahrzeugs 10 - detektiert.
Die optischenAchsen von Sender-Objektiv 21 und Empfänger-Objektiv 23 sind parallel zueinander ausgerichtet und in einer vertikalen Ebene angeordnet. Die vertikale Ebene ist in Fig. 2 durch die Gesamtachse 25 des optischen Systems des Entfernungsmessers 18 symbolisch dargestellt. Sender 19 und Empfänger 20 sind relativ zueinander unbeweglich angeordnet.
Der Entfernungamesser 18, und zwar zumindest das vorstehend beschriebene aus Sender 19 und Empfänger 20 bestehende Gesamtoptiksystem, ist um eine Vertikalachse 26 drehbar angeordnet, wie es durch Pfeil 27 in Fig. 2 symbolisiert ist. Ein Stellantrieb 28, in Form eines Stellmotors, kann den Entfernungsmesser 18 um die Vertikalachse drehen. Der dabei von dem Entfernungsmesser 18 eingenommene Drehwinkel gegenüber einer Bezugsbasis wird von einem Winkelmesser 29 ausgegeben. Der Winkelmesser 29 ist als an sich bekannter Shaftencoder oder Drehgeber ausgebildet und dreht sich synchron mit dem Entfernungsmesser 18. Das von ihm ausgegebene Ausgangssignal ist ein -direktes Maß für die Drehstellung des Drehgebers und damit für die Winkelablage des Entfernungsmessers 18 von einer Bezugsbasis. Die Bezugsbasis wird durch Ausrichten des Entfernungsmessers auf einen Bezugspunkt 30 hergestellt, dessen Position ebenfalls bekannt ist oder vermessen werden muß. Als Bezugspunkt 30 kann ebenfalls ein Hektometerstein 13 dienen (Fig. 1).
Die Lasersendediode 22 des Senders 19 ist auf einer Schwinge 31 angeordnet, die aus zwei zugleich der Stromzuführung dienenden Schwingfedern besteht. Zur Schwingungsanregung der Schwinge 31 ist ein Elektromagnet 32 vorgesehen, dessen Erregerspule in Fig. 2 schematisch angedeutet ist. Die Lasersendediode 22 ist mit einem Impulsgenerator 33 verbunden. Die Anordnung von Lasersendediode 22 und Objektiv 21 ist'so getroffen, daß der von der Lasersendediode 22 ausgehende Sendestrahl aus periodischen Laserimpulsen in Horizontalrichtung scharf gebündelt ist. Durch die periodisch schwingende Lasersendediode 22 schwingt der Sendestrahl über einen vorgegebenen horizontalen Bereich, wobei die Anzahl der über den Schwenkweg periodisch ausgesandten Licht- bzw. Laserimpulse konstant ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zahl der ausgesandten Laserimpulse pro Schwingung der Lasersendediode 22 mit fünfzehn gewählt.
Zumindest einer der während einer vollen Schwingung der Lasersendediode 22 aüsgesandten Laserimpulse trifft bei auf das Vermessungsschiff 10 ausgerichtetem Entfernungsmesser 18 den Reflektorkranz 15, wird dort reflektiert und gelangt über das Objektiv 23 des Empfängers 20 auf die Fotodiode 24.Um den gesamten Schwenkbereich der Lasersendediode 22 erfassen zu können,weist das Objektiv 23 des Empfängers 20 einen Öffnungewinkel auf, der zumindest den Schwenkbereich des Sendestrahls überdeckt. Die von der Fotodiode 24 empfangenen reflektierten Laserimpulse, sogenannte Lichtechos, werden einer mit dem Sender 19 und dem Empfänger 20 verbundenen Regelungsschaltung 34 zugeführt, welche die bei Empfang eines Lichtechos mopentane Auslenkung des Sendestrahls von der optischen Achse 25 von Sender 19 und Empfänger 20 in eine Stellspannung für den Stellantrieb 28 umsetzt.
Die Regelungsschaltung 34 weist eine Fühlvorrichtung 35 auf, welche die momentane Schwingungsamplitude der Schwinge 31 erfaßt. Die Fühlvorrichtung 35 besteht aus zwei beidseitig der Schwinge 31 in Schwingungsrichtung angeordneten Spulen 36, 37 und aus einer Auswerteschaltung 38. Die Auswerteschaltung 38 ist im einfachsten Fall als Brückenschaltung 39 ausgebildet, in deren Brückenzweige die beiden Spulen 36 und 37 und Abgleichwiderstände 40 und 41 angeordnet sind. An der Schwinge 31 sind beidseitig in Schwingungsrichtung zwei Ferritkerne 42 und 43 angeordnet, die je nach Schwingungsamplitude der Schwinge 31 mehr oder weniger in die Spulen 36 und 37 eintauchen und damit deren Induktivität verändern. Die im Abgleichzweig der Brückenschaltung 39 auftretende Spannung ist ein Maß für die jeweils momentane Schwingungsamplitude der Schwinge 31 und damit des Sendestrahls.
Die Regelungsschaltung 34 weist ferner eine Abtast-Halte-Schaltung 44 (sample-and hold-Glied) auf, deren Eingang mit dem Ausgang der Auswerteschaltung 38, und zwar mit dem Abgleichzweig der Brückenschaltung 39, und deren Ausgang über einen Verstärker 45 mit dem Steuereingang des Stellantriebs 28 verbunden ist. Der Steuereingang der Abtast-Halte-Schaltung 44 ist über einen Breitbandverstärker 46 mit dem Ausgang der Fotodiode 24 verbunden.
Sender 19, Empfänger 20 und Regelungsschaltung 34 bilden ein automatisches Nachführsystem für den Entfernungsmesser 18, welches den Entfernungamesser 18 nach einmaliger Ausrichtung auf das Vermessungsschiff 10 bei Fahrt des letzteren automatisch nachführt, ohne daß die optische Verbindung zwischen dem Entfernungamesser 18 und dem Vermessungsschiff 10 verlorengeht. Dieses Nachführsystem arbeitet wie folgt: Die Lasersendediode 22 sendet pro Hin- und Rückschwingung fünfzehn Laserimpulse aus, die in Fig. 2 auf der Bahn ihrer Abbildung beim Vermessungsschiff 10 als Punkte 47 angedeutet sind. Nur der Laserimpuls, der einen Tripelspiegel des Reflektorkranzes 15 trifft, erzeugt ein Lichtecho - in Fig. 2 durch ein Lampensymbol gekennzeichnet -,das über das Empfänger-Objektiv 23 auf die Fotodiode 24 trifft. Dieses Lichtecho wird im Breitbandverstärker 46 verstärkt und schließt für die Dauer seines Auftretens das Abtastglied 48 der Abtast-Halte-Schaltung 44. Die Iststellung der Schwinge 31 wird fortlaufend von der Fühlvorrichtung 35 erfaßt und liegt als Spannungsinformation fortwährend an dem Eingang der Abtast-Halta-Schaltung 44 an. Der Verlauf der Spannungsinformation ist über eine Hin- und Rückschwingung der Schwinge 31 sinusförmig, wobei die maximale Amplitude bei der jeweils maximalen Auslenkung der Schwinge 31 auftritt. Sobald und solange das Abtastglied 48 geschlossen ist, gelangt diese Spannungsinformation auf das Halteglied 49, das z. Bb als Kondensator ausgebildet sein kann, und wird dort kurzzeitig gespeichert. Diese Spannungsinformation bildet dann,über den Verstärker 45 verstärkt, eine Steuerspannung für den Stellantrieb 28, der den Entfernungsmesser 18 um die Vertikalachse 26 verdreht. Die Drehung erfolgt in dem Sinne, daß die Auslenkung des empfangenen Lichtechos von der optischen Achse 25 bei Berücksichtigung eines durch die Regelabweichung hervorgerufenen Schleppfehlers Null ist. Die Steuerspannung für den Stellantrieb 28 ist immer dann Null, wenn ein Lichtecho von der Fotodiode 24 immer dann detektiert wird, wenn die Lasersendediode 22 gerade durch die optische Achse 25 hindurchschwingt, also bei Schließen des Abtastgliedes 48 die Ausgangs spannung der Brükkenschaltung 39 gerade Null ist. In dieser Stellung ist der Entfernungsmesser 18 exakt auf das Vermessungsschiff 10, und zwar auf dessen am Mast 14 befindlichen Reflektorkranz 15, ausgerichtet, und die Entfernungsmessung kann in üblicher Weise vorgenommen werden.
Für die Entfernungsmessung ist eine Auswerteelektronik 50 einerseits mit dem Ausgang des Impulsgenerators 33 und andererseits mit dem Ausgang der Fotodiode 24 verbunden.
Die Auswerteelektronik 50 mißt die Laufzeit eines Laserimpulses von Aussenden durch die Lasersendediode 22 bis zum Empfang in der Fotodiode 24 und ermittelt daraus die Entfernung zwischen der Vorrichtung und dem Vermessungsschiff 10. Diese Entfernungsinformation wird einer Anzeige- und/oder Registriervorrichtung 51 zugeführt.
Der Winkelmesser 29 gibt eine die Ablage des Entfernungsmessers von dem Bezugspunkt 30 charakterisierende Winkelinformation aus, die ebenfalls einer Anzeige- und/oder Registriervorrichtung 52 zugeführt wird. Aus dem bekannten Standort der Vorrichtung, der Entfernungs- und Winkelinformation kann dann durch einfache geometrische Beziehungen die jeweilige Position des Vermessungsschiffes 10 bestimmt werden.
Zur Kompensation des durch die Regelungsschaltung 34 verursachten Schleppfehlers ist dem Winkelmesser 29 eine Addierstufe 53 nachgeschaltet, in welcher ein die Regelabweichung der Regelungsschaltung 34 kompensierendes Korrektursignal zu dem Ausgangs signal des Winkelmessers 29 hinzuaddiert wird, 8o daß die am Ausgang der Addierstufe 53 abgenommene Winkelinformation die exakte Winkelablage des Vermessungsschiffes 10 von der Bezugsbasis angibt. Das Korrektursignal wird in einem Proper tionalglied 54 erzeugt,dessen Eingang mit dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung 44 und dessen Ausgang mit dem Eingang der Addierstufe 53 verbunden ist.
Wie bereits erwähnt, wird die die Lasersendediode 22 tragende Schwinge 31 von einem Elektromagneten 32 zu Schwingungen angeregt. Um von Material- und Einbautoleranzen sowie Temperaturein M üssen unabhängig zu werden, wird die Schwingungsamplitude der Schwinge 31 durch einen Regelkreis stabilisiert. Dieser Regelkreis ist als Zweipunktregler 55 ausgebildet, wobei die für das Nachfuhrsystem wesentliche Fühlvorrichtung 35 gleichzeitig Teil dieses Zweipunktreglers 55 ist. Der Zzeipnktreg ler 55 weist weiterhin einen Sollwertgeber 56, einen im Erregerstromkreis des Elektromagneten 32 angeordneten Ein-/Ausschalter 57 und einen diesen steuernden Vergleicher 58 auf. Der Erregerstromkreis des Elektromagneten 32 wird von einem Wechselstromgenerator 59 gespeist.
Ein Eingang des Vergleichers 58 ist mit dem Ausgang der Fühlvorrichtung 35, und zwar mit dem Abgleichzweig der Brückenschaltung 39, und der andere Ausgang des Vergleichers 58 ist mit dem Sollwertgeber 56 verbunden. Mittels des Sollwertgebers 56 wird die maximale Sollschwingungsamplitude der Schwinge 31 vorgegeben. Im Vergleicher 58 wird die Istschwingungsamplitude der Schwinge 31 mit der vorgegebenen maximalen Sollschwlngungsamplitude verglichen, und bei Über- bzw. Unterschrelten des Sollwerts wird der Ein-/Ausschalter 57 geöffnet bzw. geschlossen.
Da die Schwinge 31 eine sehr geringe mechanische Dämpfung aufweist, ist der Schwlngungsvorgang trotz des einfachen Zweipunktreglers 55 in der maximalen Schwingungsamplitude nahezu konstant und gleich dem vorgegebenen Sollwert. Eine Amplitudendynamik von 1:50 läßt sich auf diese Weise ohne Schwierigkeiten realisieren. Der hier durch erzeugte Sendestrahlfächer mit fünfzehn Laserim- pulsen pro Hin- und Rückschwingung der Lasersendediode 22 weist eine Winkelöffnung von maximal 100 auf.
Bei einem so breiten Sendestrahlfächer und bei fünfzehn Laserimpulsen pro Hin- und Rückschwingung der Lasersendediode 22 können bei sehr großen Entfernungen zwischen Vorrichtung und Zielobjekt die Abbildungen der einzelnen Laserimpulse am Ort des Zielobjektes (Punkte 47 in Fig. 2) so weit auseinanderliegen, daß kleinflächige Reflektoren bei einer Hin- und Rückschwingung der Lasersendediode 22 von keinem Laserimpuls getroffen werden.
Um dies sicher auszuschließen, wird die maximale Sollschwingungsamplitude vom Sollwertgeber 56 in Abhängigkeit von der Entfernung vorgegeben. Hierzu weist der Sollwertgeber 56 einen entfernungsabhängig gesteuerten Sollwerteinsteller 60 auf, der in Fig. 2 lediglich symbolisch durch ein Potentiometer kenntlich gemacht ist.
In einem praktischen Ausführungsbeispiel werden Sollwertgeber 56 und Sollwerteinsteller 60 in einem Mikrocomputer zusammengefaßt, wie er z. B. unter der Handelsbezeichnung 8085 von der Firma Intel angeboten wird. Der Sollwerteinsteller 60 ist hierzu über senen Steuereingang 61 mit dem Meßausgang 62 des Entfernungsmessers 18 verbunden, an welchem jeweils die Entfernungsinformation ansteht. Der Sollwerteinsteller 60 ist dabei so ausgebildet, daß der eingestellte Sollwert der am Meßausgang 62 jeweils vorhandenen Entfernungsinformation umgekehrt proportional ist. Dabei ist der vorgegebene Sollwert der maximalen Schwingungsamplitude so festgelegt, daß der Reflektor des Zielobjektes gerade noch sich von einem der fünfzehn Laserimpulse pro Schwingung der Lasersendediode 22 getroffen wird. Bei kleinen Entfernungen ist somit die vorgegebene maximale Schwingungsamplitude der Schwinge 31 groß und brei großen Entfernungen hingegen klein. Die Impulsaussendung ist mit der Schwingung der Schwinge 31 synchronisiert, und zwar derart, daß exakt bei der maximalen Auslenkung der Schwinge 31 ein Impuls der Impulsfolge ausgesendet wird.
Hierzu erhält der Impulsgenerator 33 von dem Vergleicher 58 jeweils ein Synchronisiersignal, sobald jeweils die maximale Schwingungsamplitude erreicht ist.
Um ein automatisches Einfangen des Zielobjektes auch nach kurzzeitiger Unterbrechung der optischen Sichtverbindung zwischen Vorrichtung und Wasserfahrzeug 10, z. B. durch ein vorbeifahrendes Schiff, sicherzustellen, weist der Sollwertgeber 56 noch einen Rücksetzeingang 63 auf, über welchen der Sollwerteinsteller 60 in seine Grundstellung zurücksetzbar ist, in welcher er den größtmöglichen Sollwert der maximalen Sollsc-hwingungsamplituden einstellt. Dieser Rücksetzeingang ist mit dem Ausgang der Fotodiode 24, und zwar unter Zwischenschaltung des Breitbandverstärkers 46, in der Weise verbunden, daß bei Ausbleiben von Ausgangssignalen der Fotodiode 24 in einem fest vorgegebenen Zeitbereich der Rücksetzeingang 63 aktiviert wird und damit von dem Sollwertgeber 56 der größtmögliche Sollwert der maximalen Schwingungsamplitude vorgegeben wird. Diese Aktivierung des Rücksetzeingangs 63 kann mittels eines Monoflops 64 vorgenommen werden, dessen Eingang mit dem Ausgang der Fotodiode 24 und dessen Ausgang mit dem Rücksetzeingang 63 des Sollwertgebers 56 verbunden ist. Mit jedem von der Fotodiode 24 empfangenen Licht echo wird das Monoflop 64 gesetzt und fällt bei Ausbleiben weiterer Lichtechos innerhalb eines seiner Zeitkonstanten entsprechenden Zeitbereichs in seinen Ausgangszustand zurück, wobei die Rückfallflanke des Ausgangssignals den Rücksetzeingang 63 des Sollwertgebers 56 aktiviert. Gleichzeitig wird mit Rücksetzen des Sollwert einstellers 60 und Ausgabe des größtmöglichen Sollwerts durch den Sollwertgeber 56 die-Synchronisation der Laserimpulse mit der Schwingung der Schwinge 31 aufgehoben.
Hierzu ist zwischen dem Ausgang des Vergleichers 58 und dem Eingang des Taktgenerators 33 ein Torglied 65, hier in Form eines AND-Gatters, angeordnet, dessen zweiter Eingang über ein Flipflop 66 an den Ausgang des Monoflops 64 angeschlossen ist. Mit Setzen des Monoflops 64 durch das erste Lichtecho wird auch das Flipflop 66 gesetzt, welches das Torglied 65 öffnet. Solange das Torglied 65 geöffnet ist, erfolgt eine Synchronisation von Schwingung und LaserimpulsAussendung. Fällt das Monoflop 64 infolge des Ausbleibens von Lichtechos in einen bestimmten Zeitbereich zurück, so wird auch das Flipflop 66 umgeschaltet und das Torglied 65 gesperrt. Während der Sperrzeit des Torgliedes 65 schwingt der Impulsgenerator 33 frei und die Laserimpulse werden unabhängig von der jeweiligen Lage der Schwinge 31 ausgesendet. Sobald die Fotodiode 24 wieder ein Lichtecho erhält, wird sowohl der Rücksetzeingang 63 des Sollwert gebers 56 inaktiv als auch das Torglied 65 wieder durchgeschaltet. In dem Sollwertgeber 46 wird wiederum die durch die Entfernung vorgegebene maximale Sollschwingungsamplitude eingestellt und die Laserimpuls-Aussen dung wird wiederum auf den Schwingungsvorgang der Schwinge 31 synchronisiert.
Wie vorstehend beschrieben, wird in der Addierstufe 53 zu der von dem Winkelmesser 29 ausgegebenen Winkelinformation ein die Regelabweichung kompensiertes Sorrektursignal hinzuaddiert. Da dieses Korrektursignal abhängig ist von der maximal vorgegebenen Schwingungsamplitude, ist es erforderlich, den Proportionalitätsfaktor des Proportionalgliedes 54, das das Korrektursignal erzeugt, änderbar auszubilden. Hierzu weist das Proportionalglied 54 einen Umsohalteingang auf, der mit dem Ausgang des Sollwertgebers 56 verbunden ist und über welchen der Proportionalitätsfaktor des Proportionalgliedes 54 in Abhängigkeit von dem eingestellten Sollwert der maximalen Sollschwingungsamplitude änderbar ist. Dabei ge- nügt es, den Proportionalitätsfaktor in drei Sollwertbereiche umschaltbar zu machen, und zwar fur kleine Schwingungsauslenkung, mittlere und große Schwingungsauslenkung.
Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet, ist der Entfernungsmesser 18 mit dem Gesamtoptiksystem aus Sender 19 und Empfänger 20 auch um einen begrenzten Elevationswinkel schwenkbar. Hierzu ist der Entfernungsmesser 18 um eine Horizontalachse 67 drehbar angeordnet und ein weiterer Stellantrieb 68 in Form eines Servomotors zur Drehung des Entfernungsmessers 18 um diese Horizontalachse 67 vorgesehen. Synchron mit dem Entfernungsmesser 18 wird wiederum ein weiterer Winkelmesser 69 angetrieben, der hier als Potentiometer ausgebildet ist.
Ein Steuerglied 70 ist eingangsseitig mit dem Meßausgang 62 des Entfernungsmessers 18 und mit dem Winkelmesser 69 verbunden und ausgangsseitig an den Steuereingang des weiteren Stellantriebs 68 angeschlossen. Das Steuerglied 70 errechnet aus der Ausgangs-Winkelablage des Entfernungsmessers von der Horizontalen und der gemessenen Entfernung eine Winkelkorrektur und gibt eine dieser Winkelkorrektur entsprechenden Steuerspannung an den weiteren Stellantrieb 68 aus. Ist al der Ausgangswinkel in Elevation und el die zu diesem Winkel gehörige Ausgangs-Entfernung, so läßt sich zu einer beliebigen Entfernung ex nach ein£achen geometrischen Beziehungen die Winkelablage von der Horizontalen mit errechnen. Eine Steuerspannung, die der Differenz «X-al proportional ist, wird dem weiteren Stellantrieb 68 zugeführt und dieser dreht den Entfernungsmesser 18 um einen entsprechenden Betrag um die Horizontalachse 67.
Zur exakten Positionsvermessung ist die Vertikalachse 26 des Entfernungsmessers 18 stabilisiert. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, kann hierzu ein Pendel 71 verwendet werden.Ein Teil der elektronischen Baugruppen der Vorrichtung ist zweckmäßigerweise in dem Pendel 71 untergebracht und bildet die Pendelmasse. Es ist jedoch auch möglich, den Entfernungsmesser 18 hinsichtlich der Gesamtoptik mit Hilfe einer Libelle oder auf einer Kreiselplattform so zu stabilisieren, daß die VertikalAchse 26 zum Erdmittelpunkt zeigt.
Mittels eines Telemetriersystems ist ein Informationsaustausch zwischen der landseitig aufgestellten Vorrichtung zur Positionsbestimmung und dem Vermessungsschiff 10 möglich. Der Hauptdatenfluß verläuft dabei von der Land- zur Bordanlage, jedoch ist auch ein umgekehrter Datenfluß möglich, z. B. zum Übertragen bestimmter Kommandos für die landseitige Vorrichtung. Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Objektes, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, mit einem aktiven, optischen Entfernungsmesser, der einen einen Sendestrahl abstrahlenden optischen Sender und einen vom Sendestrahl hervorgerufenen Lichtechos aufnehmenden Empfänger aufweist, und mit einem Winkelmesser, der die Winkelablage des zur Entfernungsmessung ausgerichteten Entfernungsmessers von einem Bezugspunkt ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungsmesser (18) um eine Vertikalachse (26) drehbar angeordnet ist, daß ein motorischer Stellantrieb (28) zur Drehung des Entfernungsmessers (18) um die Vertikalachse (26) vorgesehen ist, daß der Sendestrahl zumindest in Horizontairichtung scharf gebündelt und in Horizontalrichtung über einen vorgebbaren Bereich periodisch schwenkbar ausgebildet ist und daß mit dm Sender (19) und Empfänger (20) eine Regelungsachaltung (34) verbunden ist, welche die bei Empfang eines Lichtechos momentane Auslenkung des Sendestrahls von der optischen Achse (25) des Senders (19) in eine Stellspannung für den Stellantrieb (28) umsetzt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendestrahl Lichtimpulse, vorzugsweise Laserimpulse, aufweist und daß die Anzahl der über den Schwenkweg periodisch ausgesandten Lichtimpulse konstant ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (19) ein Objektiv (21) und eine in der Fokusebene des Objektivs (21) angeordnete Laser- sendediode (22) aufweist, die auf einer Schwinge (31) angeordnet ist, die vorzugsweise zwei zugleich der Stromzuführung zur Lasersendediode (22) dienende Schwingfedern aufweist, und daß zur Schwingungsanregung der Schwinge (31) ein Blektromagnet (32) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsschaltung (34) eine die momentane Schwingungsamplitude der Schwinge (31) erfassende Fühlvorrichtung (35) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung (35) ein in Schwingungsrichtung beidseitig der Schwinge (31) angeordnetes Spulenpaar (36, 37), zwei an der Schwinge (31) befestigte und jeweils in eine Spule (36, 37) des Spulenpaares eintauchende Ferritkerne (42, 43) und eine Auswerteschaltung (38) aufweist, die vorzugsweise als Brückenschaltung (39) ausgebildet ist, in deren Brückenzzeige die Spulen (36, 37) angeordnet sind hnd deren im Abgleichzweig auftretende Spannung ein Maß für die jeweils momentane Schwingungsamplitude der Schwinge (31) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (20) ein Objektiv (23) mit einem den maximalen Schwenkbereich des Sendestrahls überdeckenden Öffnungswinkel und eine in der Abbildungsebene des Objektivs (23) angeordnete Fotodiode (24) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungsachaltung (34) eine Abtast-Halte-Schaltung (44) aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang der Fühlvorrichtung (35), deren Steuereingang, vorzugsweise über einen Breitbandverstärker (46), mit dem Ausgang der Fotodiode (24) und deren Ausgang, vorzugsweise über einen Verstärker (45), mit dem Steuereingang des Stellantriebs (28) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung (35) zugleich Teil eines die Schwingungsanregung der Schwinge (31) regelnden Zweipunktreglers (55) ist, der einen im Erregerstromkreis des Elektromagneten (32) angeordneten Ein-/Ausschalter (57) und einen den Ein-/Ausschalter (57) steuernden Vergleicher (58) aufweist, der eingangsseitig einer seits mit der Fühlvorrichtung (35) und andererseits mit einem die maximale Sollschwingungsamplitude vorgebenden Sollwertgeber (56) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (56) einen entfernungsabhängig gesteuerten Sollwerteinsteller (60) aufweist, der über einen Steuereingang (61) mit dm Neßausgang (62) des Entfernungsmessers (18) verbunden und derart ausgebildet ist, daß der eingestellte Sollwert der Entfernung umgekehrt proportional ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (56) einen den Sollwerteinsteller (60) in seine den größtmöglichen Sollwert einstellenden Grundstellung zurücksetzenden Rücksetzeingang (63) aufweist, der mit dem Ausgang der Fotodiode (24) derart verbunden ist, daß er bei Fehlen von Lichtechos in einem vorgegebenen Zeitbereich aktiviert wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtimpulse mit der Schwenkbewegung des Sendestrahle synchronisiert sind, vorzugsweise derart, daß mit Erreichen der maximalen Schuenkauslenkung ein Lichtimpuls der Lichtimpulsfolge ausgesendet wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aktivierungsdauer des Rücksetzeingangs (63) des Sollwertgebers (56) die Synchronisation zwischen Lichtimpulse und Schwenkbewegung des Sendestrahls aufgehoben ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß-der Sollwertgeber (56) und der Sollwerteinsteller (60) in einem Mikrocomputer zusammengefaßt sind.
14. Vorrichtung nach einem der-Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Winkelmesser (29) eine Addierstufe (53) zum Addieren eines die Regelabweichung der Regelungsschaltung (34) kompensierenden Korrektursignals nachgeschaltet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein das Korrektursignal erzeugendes Proportionalglied (54), dessen Eingang mit dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung (44) und dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang der Addierstufe (53) verbunden ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Proportionalglied (54) einen vorzugsweise in Stufen umschaltbaren Proportionalitätsfaktor aufweist und daß der Umschalteingang mit dem Sollwertgeber (56) derart verbunden ist, daß der Proportionalitätsfaktor in Abhängigkeit von dem eingestellten Sollwert, vorzugsweise in Abhängigkeit von Sollwertbereichen, geändert wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungsmesser (18) um eine Horizontalachse (67) drehbar angeordnet ist, daß ein weiterer Stellantrieb (68) zur Drehung des Entfernungsmessers (18) um die Horizontalachse (67) und ein weiterer Winkelmesser (69) zur Ausgabe zumindest der Winkelablage des zur Entfernungsmessung ausgerichteten Entfernungsmessers (18) von der Horizontalen vorgesehen ist und daß ein Steuerglied (70) ausgangsseitig mit dem weiteren Stellantrieb (68) und eingangsseitig mit dem Meßausgang (62) des Entfernungsmeesers (18) und dem Ausgang des weiteren Winkelmessers (69) verbunden und derart ausgebildet ist, daß aus der Anfangs-Winkelablage des Entfernungsmessers (18) von der Horizontalen und aus der gemessenen Entfernung eine Winkelkorrektur errechnet und als Steuerspannung an den weiteren Stellantrieb (68) gegeben wird.
18. Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Vermessungsschiffes nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch die landseitige ortsfeste Aufstellung an einem kartographisch vermessenen Standort (13) und Ausrichtung auf einen am Vermessungsschiff (10) angeordneten Reflektor (15), wobei die gedachte Verbindungslinie zu einem bekannten landseitigen Bezugspunkt (30) die Bezugsbasis für die Winkelmessung bildet.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalachse (26) des Entfernungsmes- sers (18) mittels eines Pendels (71) stabilisiert ist und dadurch, daß zumindest ein Teil der elektrischen Schaltungsbausteine in dem Pendel (71), die Pendelmasse bildend, angeordnet ist.