DE3308358A1

DE3308358A1 - Verfahren und vorrichtung zur kursbestimmung von fahrzeugen mittels eines kreiselkompasses

Info

Publication number: DE3308358A1
Application number: DE19833308358
Authority: DE
Inventors: Max Dipl.-Phys. Dr. Dressler; Gregor 2000 Hamburg Federau
Original assignee: PLATH FA C
Current assignee: PLATH FA C
Priority date: 1983-03-09
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1984-09-13
Also published as: DE3308358C2

Description

TERMEER-MOLLER-STEiNMElSTER ' ^c · Plath - P-64

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Absolut-Kursbestiirimung von Fahrzeugen mittels eines Kreiselkompasses mit Kugelschwimmer. Unter dem Begriff "Fahrzeug" ist dabei in erster Linie an Schiffe gedacht; jedoch kommt eine Anwendung der Erfindung auch für Landfahrzeuge und Flugzeuge, zur Ausrichtung von automatisehen Kameras in Überwachungsfahrzeugen und dergl. in Frage.

Auf Schiffen werden in vielfältigen Ausführungsvarianten Kreiselkompasse verwendet, deren Kreiselelemente .in einem in einem Kompaßkessel schwimmenden System, dem sogenannten "Kugelschwimmer", untergebracht sind und einerseits über die elektrisch leitende Schwimmerflüssigkeit und andererseits oberseitig über einen Kontaktstift elektrisch kontaktiert werden, der in eine trichterartige Aussparung bis ins Zentrum des Kugelschwimmers reicht. Um eine Absolut-Kursbestimmung sicherzustellen, muß bei Schiffsbewegungen der den Kugelschwimmer aufnehmende Kompaßkessel elektromotorisch nachgestellt werden. Dafür ist ein erheblicher Aufwand an hochpräzisier Mechanik neben sehr genauen Stellmotoren und dergl. erforderlich.

Auf größeren Schiffen sind außerdem in der Regel Tochter-Kompaßgeräte installiert, die mit dem Hauptkompaß synchronisiert werden müssen, wozu in der heute üblichen Analogübertragungstechnik ebenfalls ein ziemlich hoher technischer Aufwand erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Absolut-Kursbestimmung von Fahrzeugen, die mit einem Kreiselkompaß mit Kugelschwimmer ausgerüstet sind, zu schaffen, durch welche der bisher erforderliche technische Aufwand für eine Kesselnachführung

TER MEER - MÖLLER ■ STELNMEKaTEn . ^C· ^Platn ~ P~

sowie zur Synchronisation mit Tochter-Kompaßgeräten in einer räumlich und gewichtsmäßig günstigeren Lösung verringert wird.

Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, mit opto-elektrischen Mitteln die über den Kugelschwimmer erhältichen Kursdaten zu erfassen und in eine digitale, auswertbare Form umzusetzen. Mit einer vorteilhaften Ergänzung sollen gleichzeitig die momentanen Lage- oder Winkeldaten zusätzlich ermittelt und eine bisher nicht mögliche Aufbereitung und Anzeige von Daten,beispielsweise hinsichtlich der momentanen horizontalen Winkellage des Fahrzeugs ermöglicht werden. Ein besonderes Problem ist dabei, daß eine einfache Analog/Digital-Umsetzung der bereits zur Verfügung stehenden elektrischen Signale der Kurs- bzw. Winkeldaten nicht in Frage kommt, da die angestrebte Genauigkeit eine wesentlich höhere Auflösung verlangt.

Die erfindungsgemäße Lösung ist hinsichtlich des Verfahrens in kurzer Zusammenfassung im Patentanspruch 1 und hinsichtlich der Vorrichtung im Patentanspruch 5 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in jeweils nachgeordneten Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zum besseren Verständnis der weiter unten in Einzelheiten beschriebenen Ausführungsform der Erfindung seien zunächst einige allgemeine Betrachtungen zur Absolut-Kursbestimmung von Fahrzeugen dargestellt.

Der Kompasskessel eines Kreiselkompass-Systems mit Kugelschwimmer kann sich in drei Achsen bewegen, nämlich (vgl. Figur 1 der beigefügten Zeichnungen) - um die Trichterachse ζ um 360°; diese Drehung ergibt den Kurs;

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- um zwei dazu senkrechte Achsen χ und y durch den Schwimmermittelpunkt um beispielsweise +_ 20°, eingeschränkt durch die Trichteröffnung_fwenn ein handelsüblicher Trichterschwimmer verwendet wird.

Diese Drehungen stellen bei der Kursmessung eine Störung dar; sie müssen für eine Korrektur der Kursmessung bekannt sein.

Das Fahrzeug,beispielsweise ein Schiff führt zusätzlich Bewegungen um diese drei Achsen aus. Es ist jedoch mit dem Kompasskessel über eine bekannte Dämpfungseinrichtung gekoppelt, so daß sich Relativbewegungen zum Kompasskessel ergeben, nämlich

_ drei Rotationen um translatorisch zu den Achsen x, χ, ζ verschobene Achsen x¹, y¹ und z¹ durch den Kesselaufhängepunkt sowie

- drei Translationen in Richtung dieser Achsen. Daher ist, wenn die Äquatorebene des Trichterschwimmers als Bezugsebene zugrundegelegt wird, die Kenntnis der Bewegung um die x- und y-Achsendes Kugelschwimraers nicht ausreichend für eine fahrzeugseitige Lagemessung.

Die Translationen in Richtung der Achsen können unberücksichtigt bleiben. Eine Rotation um die z-Achse entspricht der Kursmessung, die bisher als Drehung des Kessels gegenüber dem Fahrzeug bestimmt wurde; diese wird hier voraussetzungsgemäß zu Null, da bei der hier vorgeschlagenen absoluten Kursmessung der Kessel nicht nachgedreht wird. Zu berücksichtigen sind dann zusätzlich zwei Rotationen um die x¹- und die y'-Achse durch den Kesselaufhängepunkt.

Für die Kursmessung (A) und die Rotationen (B) werden in folgenden die Grundlagen zweier Meßmethoden gemäß der Erfindung beschrieben:

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(A) Kursrnessung

Die Meßaufgabe besteht darin, den Rotationswinkel einer Kugel um die (vertikale) z-Achse zu bestimmen, d.h. die Längenposition auf dem Äquator dieser Kugel.

Die Kugel unterliegt jedoch einer Störung₍ denn sie kann sich zusätzlich um die x- bzw. y-Achse drehen, beispielsweise um a 20°. Der Meßort ist also nicht nur der "Äquator", sondern etwa der Bereich zwischen den "Wendekreisen".

Damit ergibt sich als Meßaufgabe die Bestimmung der Längenposition im Bereich ±. 20° um den Äquator, d.h. Neigungswinkel der z-Achse sind zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß wird auf der Oberfläche der Schwimmerkugel ein Längencode und ein Breitencode jeweils in Absolutwerten aufgebracht. Für den Längencode v/erden zunächst beispielsweise 36 Meridiane im Abstand von 10° aufgetragen und jedem Meridian wird eine Strichcode-Begrenzungslinie zugeordnet. Der Strichcode dient zur Feinpositionsmessung des Meridians mit einem noch näher zu beschreibenden Zeilensensor mit einer Auflösung von 2 was 256 Elementen entspricht, so daß sich für eine angenommene Überdeckung von 20° (zwei Meridianbereiche) durch 200 Sensorelemente eine Auflösung von 1/10° bei einer Überdeckung von 10 Sensorelementen/Grad ergibt.

Zur Breitenbestimmung sind parallel zu den Meridianen verlaufende absolute Flächencodes,beispielsweise Gray-Codes zur Erfassung der y-Drehung und des Neigungswinkels der z-Achse in der y-z-Ebene auf die Kugelschwimmeroberfläche aufgebracht. Der Gray-Code wird als 8-Bit-Code gewählt, so daß sich auch für die 3reiten-

codes eine Auflösung von 2 ergibt. Der daraus ermittelte

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Meßwert dient zur Korrektur des Kurswertes bei Drehungen der Schwimmerkugel um die x- und die y-Achse.

Die Auswertung der Kurswerte erfolgt so, daß zunächst die Breitencodes zweier benachbarter Meridiane gelesen werden. Daraus ergibt sich ein Neigungswinkel des zu messenden Meridians gegenüber dem für die Meridianmessung bestimmten Zeilensensor. Für die weiter unten noch näher erläuterte rechnerische Auswertung wird der Meridian auf die Senkrechte projiziert und sein Schnittpunkt mit dem Sensor wird bestimmt. Dieser Wert zusammen mit der Nummer des jeweiligen Meridians aus dem Strichcode ergibt den Kurs. Aus den Werten der Breitencodes kann zusätzlich die Bewegung um die x- und y-Ächse für. die fahrzeugseitige Lagemessung bestimmt werden.

Bei bekanntem Fahrt-Meßwert kann jetzt außerdem der Fahrtfehler des Kurses korrigiert werden.

(B) Fahrzeugseitige Lagemessung

Zusätzlich zu den Drehungen des Kompasskessels um die x- und y-Achse des Trichterschwimmers werden durch eine vorteilhafte Ergänzung der Erfindung die Drehung des Fahrzeugs um die x¹- und y¹-Achse durch den Kesselaufhängepunkt ermittelt. Dazu wird ein in der Vertikalachse hohles Kugelgelenk verwendet. In diese Hohlachse der Kesselaufhängung wird ein optisches System zur Zielmarkenprojektion eingebaut, durch das ein Lichtstrahl auf einen gehäusefesten Flächendetektor projiziert wird. Dieses optische System umfaßt beispielsweise eine Infrarot-LED-Lichtquelle, ein Kondensorsystem und Lochblenden, über die ein Lichtfleck ins Zentrum des positionsempfindlichen Flächendetektors projiziert wird, der insbesondere ein Halbleiterflächendetektor ist und der fest am Kompasstand oberhalb des Kugelgelenks d.h. fahrzeugseitig angebracht ist. Bei Drehung um das Kugelgelenk wandert der Lichtfleck aus dem

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Zentrum des Detektors aus und erzeugt zwei positionsabhängige elektrische Analog-Signale, die proportional zum Drehwinkel um die x¹- und y'- Achse sind. Diese Drehwinkel, vorzeichenrichtig zu den Drehwinkeln um die x- und y-Achse durch den Trichterschwimmer addiert, ergeben die Lage des Fahrzeugs gegenüber der Äquatorebene des Kugelschwimmer s·.

Als Flächendetektor kommt insbesondere auch ein CCD-HaIbleiterbaueleinent in Frage, wie es in Fernsehkameras oder in elektronischen Festbildkameras verwendet wird. Über solche mit horizontalem und vertikalem Schieberegister versehene" CCD-Bildabtaster lassen sich die Lagewerte unmittelbar als Digitalwerte abgreifen. 15

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter 3ezug auf die Zeichnung in einer beispielsweisen Ausführungsfona näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein bereits erläutertes Koordinatensystem

mit Winkelbezeichnungen zur Verdeutlichung der für die mathematischen Betrachtung maßgeblichen Variablen;

Fig. 2 in perspektivischer Teilschnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 in Schnittdarstellung einen Teil der Absolutkur smeßvorr ich tung nach Fig. 2;

Fig. 4 verdeutlicht den optischen Aufbau zur Bestimmung der Längen- und Breitenwerte; Fig. 5 in schematischer Darstellung die opto-

elektrische Einrichtung zur Bestimmung der Längen- und Breitencodes; Fig. 6 in schematischer Darstellung die optoelektrische Vorrichtung zur Ermittlung der Positionswerte;

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Fig. 7 in Blockschaltbilddarstellung den Aufbau

einer Signalverarbeitungsschaltung zur Gewinnung des Kurswertes;

Fig. 8 verdeutlicht die Projektion des Zeilensensors als Abtastschlitz auf die Oberfläche des

Kugelschwimmers und

Fig. 9 bis Fig. 17 dienen zur Verdeutlichung des

der Erfindung zugrundeliegenden Meßprinzips.

Die Figur 2 zeigt in perspektivischer Teilschnittdarstellung einen Kreiselkompass prinzipiell bekannter Bauart mit einem Trichter-Kugelschwimmer 1, der in bekannter Weise in einem aus Vertikalring 21 und Kugelschalen bestehenden Kompaßkessel schwimmend gelagert ist. In den oberseitig ausgesparten Trichter 22 des Kugelschwimmers 1 greift in bekannter Weise ein Kontaktstift 20 etwa bis zum Zentrum in den Kugelschwimmer 1 ein; er dient zur elektrischen Kontaktierung der im Inneren der Schwimmerkugel enthaltenen elektrischen Kreisel und zur Zentrierung des Kugelschwimmers im Kessel. Die Kontaktierung des anderen Pols erfolgt in bekannter Weise von der Unterseite über die elektrisch leitende Schwimmerflüssigkeit. Die Öffnung des Trichters 20 beträgt beispielsweise etwa +20° gegenüber der Vertikalen. Die Zeichnung der Fig. 2 zeigt an bekannten Bauteilen eines solchen Kreiselkompasses von oben nach unten eine Luftdämpfung 23, eine Kugelbuchsenführung 24, Haltearme 25 für Dämpfungsfedern 26, eine unter den Tragarmen 25 angeordnete Torsionssicherung 28, eine obere Abdeckung 29 für den Kompaßkessel, von dem hier nur der Vertikalring 21 dargestellt ist, sowie mehrere in Umfangsrichtung auf der Außenseite des Kompaßkessels angeordnete Dämpfungsbalgen 30, von denen in den Fig. 2 und 3 zwei angedeutet sind. Die Dämpfungsbalgen 30 sind in bekannter Weise über einen Strömungswiderstand 31 verbunden.

TER MEER · MÜLLER STElfclMEISTH^ .^: " C. Plath - P-64

Die für die Erfindung wesentlichen neuen Elemente bzw. Baugruppen zur absoluten Kurs- und Lagebestimmung sind

- auf die Schwimmerkugel 1 in gleichen Winkelabständen senkrecht zum Äquator 2 aufgebrachte Meridiane 5, denen zur eindeutigen optischen Identifizierung jeweils ein Längencode 3 und zur Berücksichtigung von Winkelabweichungen ein ober- und unterhalb des Äquators 2 aufgebrachter Flächen-Gray-Code 4 zugeordnet sind;

- eine mit dem (durchsichtigen) Schwimmergehäuse verbundene Abbildungsoptik 10 mit einem Zweirichtungsspiegel 11, einem Objektiv 13 und einem als Zeilensensor 14 bezeichneten opto-elektrischen Wandler und als vorteilhafte Ergänzung der Erfindung, d. h. zur Berücksichtigung von Roll- und Stampfbewegungen des Fahrzeugs (Schiffs)

- eine Einpunkt-Aufhängung des Kugelschwimmergehäuses mit einer Tragkugel 27 und einer Kugelpfanne 32. Die Tragkugel 27 ist in Vertikalrichtung durchbrochen. Die Vertikalbohrung 39 dient zur Aufnahme einer Punktlichtquelle, beispielsweise einer IR-Leuchtdiode 15 sowie eines optischen Abbildungssystems 34, über welches eine Projektion der Punktlichtquelle auf einen positionsempfindlichen Flächendetektor 19 erfolgt, der oberhalb der Tragkugel 27 fest an den mit dem Kompaßstand schiffsseitig verbundenen Teilen angebracht ist.

Die Figur 3 läßt die konstruktiven Einzelheiten der optoelektrischen Positions- oder Winkelmeßeinrichtung besser erkennen,und die Skizze der Figur 6 verdeutlicht die räumliche Anordnung.

Die Tragkugel 27 ist über einen hülsenartigen Ansatz an der oberen Kesselabdeckung 29 angeflanscht. Die unterhalb der Tragkugel 27 in den Ansatz 36 eingesetzte IR-Leuchtdiode 15 bestrahlt eine Abbildungsoptik mit zwei Kondensorlinsen 16 und 18 unter Zwischenschaltung einer

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Lochblende 17. Dieses Objektiv 16, 17, 18 ist in einer in die Bohrung 33 eingesetzten Hülse 35 gehalten. Der vertikale Lichtstrahl 37 trifft auf den positionsempfindlichen Flächendetektor 19,der wie die Figur 3 erkennen läßt unmittelbar oberhalb der Tragkugel 27 schiffsseitig fixiert ist. Bei Drehung der Tragkugel 27 wandert der durch den Lichtstrahl 37 auf dem Detektor 19 erzeugte Lichtfleck aus dem Zentrum des Detektors 19 aus und erzeugt zwei positionsabhängige elektrische Signale, die proportional zum Drehwinkel um die x¹- bzw. y¹-Achse sind.

Um eine verzeichnungsfreie Abbildung des optischen Senders (IR-Leuchtdiode 15 mit nachgeschaltetein Objektiv 16, 17, 18) zu erreichen, ist ein hoch geöffnetes, verzeichnungsfreies Objektiv vorgesehen, dessen Aberrationen für sphärische Strahlen in beiden Richtungen und für Randstrahlen in einer Richtung korrigiert sind. Für den positionsempfindlichen Flächendetektor kommt beispielsweise ein unter der Handelsbezeichnung UDT PIN-SC 50 bekanntes Detektorelement in Frage.

Eine andere Möglichkeit zur Erzielung einer verzeichnungsfreien Abbildung besteht in der Verwendung eines sphärisch gekrümmten Flächendetektors,etwa eines Dürinschicht-CCD-Bildabtasters, über den die Positionsdaten unmittelbar in Digitalform abgreifbar sind.

Die Fig. 5 verdeutlicht in schematischer Darstellung die Abbildungsoptik 10 von Fig. 2 mit der in einer Hülse 37 eingebauten Abbildungsoptik 13, einer Beleuchtungseinrichtung 12, dem Zweirichtungsspiegel 11 und dem oberhalb der Optik 13 angeordneten Zeilensensor 14.

Das Blockschaltbild der Fig. 7 verdeutlicht in Prinzipdarstellung die elektronische Auswertung des über die

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Abbildungsoptik 10 und den Zeilensensor 14 gewonnenen Video-Signals mittels eines Mikroprozessors 62 unter Berücksichtigung der von einem Fahrtmeßgerät 64 gelieferten Daten zur Erzeugung eines Kurswerts bzw. eines Kurskorrekturwerts mit gleichzeitiger Anzeige sowie unter Berücksichtigung der Daten vom Positionsdetektor 19 zur Erzeugung von Lagedaten, d. h. des Neigungswinkels gegen die Horizontalebene (Kugelschwimmer-Äquatorebene).

Im einzelnen ist mit 60 ein Schwellen-Diskriminator zur Erzeugung eines vom Zeilensensor 14 kommenden eindimensionalen Binärbildes des Abbildungsschlitzes und mit 61 ein Zähler zur Bestimmung der Positionen von Hell-Dunkel-Übergängen (0/1-Übergängen) im Binärbild bezeichnet. Der Zähler 61 liefert die Adressen der Übergänge und Informationen über Richtung und Gesamtzahl. Aus diesen Daten bestimmt der Mikroprozessor 62 mittels eines in einem ROM 63 gespeicherten Programms die Eingangsgrößen N, n, P,, P₂, h^ und h„ für die Kursberechnung (siehe Beschreibung der Arbeitsweise auf Seite 17). Das Fahrtmeßgerät 64 liefert, falls vorhanden, einen Fahrtmeßwert, der in einem Digital/Analog-Wandler 65 digitalisiert wird und zur Kurskorrektur dient. Der Positionsdetektor 19 liefert zwei analoge Meßwerte χ und y, die in einem Analog/Digital-Wandler 66 digitalisiert werden; aus ihnen und den Neigungswinkeln des Kompaßkessels 21 gegen den Kugelschwimmer 1 werden im Mikroprozessor 62 die Neigungswinkel des Fahrzeugs gegen die Horizontalebene (bzw. Äquatorebene des KugelSchwimmers 1) berechnet. Die Neigungswinkel des Kompaßkessels 21 gegen den Kugelschwimmer 1 werden nach den Rechenvorschriften, die in der nachfolgenden Beschreibung der Arbeitsweise dargestellt sind, mittels im ROM 63 gespeicherter Programme und Wertetabellen, z. B. für (P, PJ, , eines Arithmetikprozessors 67 eines RAMs 68 und des Mikroprozessors 62 aus den Eingangsgrößen

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N, n, P,, P„, h, und h„ berechnet. In einer Anzeigeeinheit 69 werden die Ergebnisse für Kurs und Neigungswinkel dargestellt.

Die schematische Darstellung der Figur 8 verdeutlicht die schlitzartige Abbildung des Zeilensensors 14 über das Objektiv 13 auf die Oberfläche der Schwiminerkugel 1 und zwar so, daß durch den Abbildungsschlitz zwei Meridiane N bzw. (N-1) mit den zugehörigen Strich-Längencodes 3 bzw. den zur Breitenbestimmung vorgesehenen Gray-Codes 4 überdeckt werden. Der Zeilensensor 14 umfaßt wie bereits oben erwähnt, beispielsweise 256 Elemente oder Bildpunkte, so daß bei dem gewählten Meridianabstand von 10° eine Auflösung von mindestens 1/10° erreicht wird.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Kursmeßvorrichtung sowie das dem Verfahren zugrundeliegende Meßprinzip wird nachfolgend unter Bezug auf die Figuren 9 bis 17 erläutert:

Die Horizontalebene des Fahrzeugs ist die x-y-Ebene (vgl. Figur 1); dabei liegt beispielsweise y in der Längsachse und χ in der Querachse des Fahrzeugs (Schiffs). Die z-Achse ist die Senkrechte des Kugelschwimmers 1. Die Drehung um die z-Achse (= Winkel Θ) ist der Kurs. Die Drehungen um die x- bzw. y-Achse werden durch Winkel © und U> angegeben. Die Horizontalebene ist durch den Äquator 2 bezeichnet; die Durchstoßpunkte der z-Achse bilden die Pole.

Wie erläutert sind mehrere Meridiane in gleichem Abstand (beispielsweise 36 Meridiane in einem Abstand von jeweils 10°) auf dem Kugelschwimrner 1 markiert und mit dem parallel verlaufenden Strichcode 3 zur unverwechselbaren Kennzeichnung der Meridiane versehen. Die Bezeichnung ist mit 0 ... N-1, N... K angegeben , zum Beispiel K=35.

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Jedem Meridian ist die vom Äquator 2 ausgehend in Richtung der Pole verlaufende Codierung 4 zur Höhen- bzw. Breitenmarkierung zugeordnet. Diese Markierung 4 ist beispielsweise im Gray-Code ausgeführt. Für die Bezeichnung ist in Figur 9 der Buchstabe h mit entsprechendem Vorzeichen zur Richtungsmarkierung ("+" bzw. "-") gewählt.

Wie die bereits erläuterte Figur 8 verdeutlicht, wird ein Teil der Oberfläche des Kugelschwimmers 1 mit dem Objektiv 13 auf den Zeilensensor 14 abgebildet. Dies ist für die folgende Betrachtung gleichbedeutend mit einer Projektion des Zeilensensors 14 auf die Oberfläche des Kugelschwimmers (vgl. Figur 10).

Bestimmung der Meßgrößen:

Im Allgemeinen wird der Zeilensensor 14 nicht auf den Äquator 2 sondern auf einen beliebigen Ort des Kugelschwimmers 1 projiziert. Die Figur 11 verdeutlicht in einem vereinfachten Schema die relevanten Meßgrößen, nämlich

N (Nummer des Meridians) h₁, h~ (Bogenmaß)

Pp _tn (Zahl von Elementen auf dem Zeilensensor 14).
25

Ein beliebiges Element auf dem Zeilensensor 14 wird als Nullpunkt des Zeilensensors definiert.

Für die Bestimmung der Winkel θ (= Kurs), φ und W aus den Meßgrößen sind drei Fälle zu unterscheiden:

a) Das Fahrzeug führt keinerlei Bewegungen um die horizontalen Achsen aus, d.h. φ = U) = O;

b) das Fahrzeug ist nur um die Längsachse gedreht, d.h.

Φ = 0

ω i ο; °OPy

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c) das Fahrzeug ist um die Längs- und die Querachse ge dreht, d. h.

0 jt O ω ^ ο.

Fall a): (vgl. Figur 12)

0 = ω = O, d.h. h₁ = h₂ = N, n, P₁P₂ bekannt.

Der Kurs θ wird durch den Schnittpunkt des Meridians N bezüglich des Zeilensensor-Nullpunkts angegeben. Für einen Abstand zwischen den Meridianen von beispielsweise 10° gilt also:

Kurs = θ = (N + ) χ 10 (Grad) ...(1)

Φ = U = O. 20

Fall b): (vgl. Figur 13) (J) = O

(J ^0, d.h. h₁ = h₂ ± N, n, P-, P_? bekannt. 25

Der Zeilensensor liegt parallel zum Äquator in der Höhe h₁ = h~.

Daraus folgt für den Kurs: Kurs = θ = (N + ) χ 10 (Grad) ...(2)

P P 12

0 = 0

= h. im Gradmaß.

TER MEER · MÜLLER · STEiNMEtSTcR ^C' Pl^ath P~64

Fall c): (vgl. Figur 14)
Φ Φ O
U) Φ O

^h1 ^ ^h2

N, η, P₁P₂ , h₁, h₂

(P₁P₂). = P₁P₂ in der Höhe h; wird aus Wertetabelle bestimmt.

Der Zeilensensor liegt schräg ober- bzw. unterhalb des Äquators 2.

Der Kurs ergibt sich durch Zurückdrehen des Zeilensensors um den gedachten Drehpunkt A (vgl. Figur 14) und zwar um den Winkel Den Zustand nach der Rückdrehung zeigt die Figur 15. Für den Kurs folgt daraus:

n-P P

Kurs = θ = (N + ) x 10 (Grad) ...(3)

P₁P₂

Die Strecke P₂P₃ wird aus dem sphärischen Dreieck gemäß Figur 16 bestimmt:

Gesucht ist: P₂P₃ = f(0, ^₂)·

Es gilt: sin P₃P₃ = sin 0 · sin h₂ ... (4) Daraus folgt: P₃P₃ = arc sin (sin 0 · sin h₂) ...(5)

Der noch unbekannte Winkel 0 wird durch Berechnung von sin 0 aus dem sphärischen Dreieck P₁P₃C gemäß Figur bestimmt:

Gesucht ist: 0 = f(Äh,

Es gilt: sin 0 = ...(6)

^{sin P}1^P2

TER MEER - MÜLLER . STE!NME!STeR. ^C- Plath - P~64

Durch Einsetzen, von Gleichung (6) in Gleichung (5) ergibt sich:

ΊεΓρΓ = arc sin ( ' sin h_?) ..-(7)

sin P₁P₂

Durch Einsetzen der Gleichung (7) in Gleichung (3) ergibt sich der Kurs θ im Gradmaß.

Die Drehungen um die x- bzw. y-Achse (ebenfalls im Gradmaß) ergeben sich zu:

φ = arc sin ( ) im Gradmaß sin P₁P₂

Cj = h_ im Gradmaß.

Wie die obigen Ausführungen zeigen, ermöglicht die getrennte Codierung von Längen- und Breiteninformation auf dem Kugelschwimmer 1 in Verbindung mit der erfindungsgemäßen opto-elektronischen Feinpositionsmessung eine kontinuierliche absolute Kursanzeige mit einem elektrischen Signal.

Die Erfindung bietet wesentliche Vorteile unter denen vor allem folgende zu nennen sind:

- Materialeinsparung: Da eine Nachdrehung des Kompasskessels wegfällt, werden keine Stellelemente (Stellmotoren, präzise Getriebe etc.) benötigt.

- Die auf Schiffen üblicherweise vorhandene mechanisch angetriebene Kompassrose kann durch eine digitale oder auch analoge Kursanzeige ersetzt werden.

- Betriebssicherheit: Alle Tochter-Kompassgeräte sind soweit vorhanden stets mit dem Hauptkompass synchronisierbar, insbesondere auch nach einem Stromausfall oder einer Störung der Signalübertragung.

- Bedienungs-Vereinfachung: Eine Fahrtfehler-Korrektur des angezeigten Kurswertes kann über den elektrisch

TER MEER ■ MÜLLER STEINMEISTS^ . C. Plath - P~64

übertragenen Fahrtwert von der Kursauswertelogik übernommen werden.

- Bei der absoluten Kursbestimmung gemäß der Erfindung fallen zusätzlich Informationen über die Neigung des Kompasskessels gegenüber dem Kugelschwimmer an. Diese lassen sich zusammen mit der im Rahmen der Erfindung vorgesehenen opto-elektronischen Winkelmessung zwischen dem Fahrzeug und dem Kompasskessel zur fahrzeugseitigen Lagemessung verwenden, unter Berücksichtigung der breitenabhängigen Schwimmerelevation, sofern die Genauigkeitsanforderungen dieses verlangen.

Claims

PATENTANWÄLTE TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER Beim Europäischen Patentamt zugolassono Vertreter — Prolesslonal Representatives bolora the European Patent Olfice Mandatalres agrees pres l'Ofllce europocn dos brovots Dipl.-Chem. Dr. N, ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister Dipl,lng. F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse 51 Triftstrasse -4, D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1 Mü/cb/b ^ .. 09. März 1983 Case P-64 C. PLATH Gertigstraße 48 D - 2000 Hamburg 60 111 > ijf; ;r ι ' ' * ". . . - » " ϊ /und Vorrichtung zur Kursbestimmung von Fahrzeugen mittels eines Kreiselkompasses Patentansprüche

1. ) Verfahren zur Kursbestimmung von Fahrzeugen mittels "eines Kreiselkompasses mit Kugelschwimmer, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kursmessung ein auf der Außenhülle des KugelSchwimmers als rechtwinklig zur Äquatorlinie in gleichabständiger Folge aufgebrachter Strichcode zur Längenmessung und eine dem Strichcode zugeordnete, ober- und unterhalb der Äquatorlinie in gleicher Verteilung aufgebrachte zweite Codierung zur Breitenbestimmung optisch abgelesen und auf einen kesselfesten, elektrooptischen, als "Zeilensensor" bezeichneten Wandler projiziert wird.

TER MEER -MÖLLER .:STEINfMEIÖT£R " -* . ^C' ^{Platn P 64}

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur fahrzeugseitigen Lagemessung und damit zur Absolut-Kursbestimmung zusätzlich von einer in der Vertikalachse des Kompaßkessels ausgerichteten und mit diesem starr verbundenen Lichtquelle ein Lichtpunkt über eine Abbildungsoptik auf einen fahrzeugfesten opto-elektrischen, als "Lagesensor" bezeichneten Positionsdetektor projiziert wird; und daß die über den Zeilensensor bzw. über den Lagesenosr erzeugten elektrischen Signale in einer Verarbeitungsschaltung für eine Kurskorrektur und/oder über eine Kurs- oder Positionsanzeige ausgewertet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zeilensensor ein digitaler Mehr-Bit-Zeilensensor verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Breitenbestimmung ein Gray-Code verwendet wird.

5. Vorrichtung zur Kursbestimmung von Fahrzeugen, die mit einem Kreiselkompaß mit Kugelschwimmer ausgerüstet sind,

gekennzeichnet durch eine opto-elektrische Kursmeßeinrichtung, zu der

- eine auf der Außenhülle des Kugelschwimmers (1) rechtwinklig zur Äquatorlinie (2) in gleichabständiger Meridian-Folge um den Kugelumfang, in Zuordnung auf einen jeweiligen Meridian,aufgebrachte Strichcodierung (3) zur Längenmessung,

- eine ober- und unterhalb der Äquatorlinie (2) in Zuordnung auf die Strichcodierung (3) in gleicher Verteilung aufgebrachte zweite Codierung (4) aus unterschiedlich reflektierenden bzw. unterschiedlich lichtabsorbieren-

TERMEER-MULLER¹STEiN^IEIeTE¹R ^: " "- ^: C. Plath - P64

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den Flächenelementen zur Breitenbestinunung, und

- eine erste Abbildungsoptik (10) gehören

gehören, die einen Teil der Kugelschwimmer-Oberfläche auf einen elektro-optischen, als "Zeilensensor" bezeichneten Wandler abbildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine weitere opto-elektrische Meßeinrichtung zur fahrzeugseitigen Lagemessung (Winkelmessung), die

- eine in der Vertikalachse des Kompaßkessels (21) ausgerichtete und mit diesem starr verbundene Lichtquelle (15),

- eine zweite Abbildungsoptik (16, 17, 18) und

- einen fahrzeugfesten, positionsempfindlichen, opto-elek-

trischen, als "Lagesensor" bezeichneten Detektor (19) umfaßt,

und durch eine elektronische, logische Auswerteschaltung (Fig. 7), welche unter Berücksichtigung des von einem Fahrtmeßgerät (50) gelieferten Geschwindigkeitssignals aus den vom Zeilensensor ermittelten Kursdaten und den vom Lagesensor gelieferten Winkeldaten einen absoluten und/oder korrigierten Kurswert errechnet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, -dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Codierung (4) als Gray-Flächencode auf die Oberfläche des KugelSchwimmers (1) aufgebracht ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Zeilensensor(14) ein Mehr-Bit-Sensor mit vier bis sechszehn, vorzugsweise mit acht Bit Auflösung ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge-

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kennzeichnet , daß die erste Abbildungsoptik (10) einen Zweirichtungsspiegel (11) aufweist, über den ein Abbildungsschlitz der mit optisch lesbaren Codes (3, 4) versehenen Oberfläche des KugelSchwimmers (1) auf ein Objektiv (13) und über dieses auf den Zeilensensor (14) gelangt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Zeilensensor (14) ein opto-elektrischer Matrixdetektor ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Zeilensensor (14) ein CCD-Bildabtaster ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Kompaßkessel (21) über ein Kugelgelenk im Kompaßstand aufgehängt ist, und daß die zweite Abbildungsoptik (16, 17, 18) in Ausrichtung auf die Vertikalachse im Inneren des in Vertikalachsrichtung durchbrochenen Kugelgelenks eingebaut ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Lagesensor (19) als opto-elektrischer Flächen- oder Matrixdetektor ausgebildet ist und unmittelbar oberhalb der Gelenkkugel fahrzeugfest angebracht ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagesensor (19) ein CCD-Bildabtaster ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenverteilung der Abtastelemente des Lagesensors (19) sphärisch gekrümmt ist.

TER MEER · MÜLLER · STEiNMEISTER . ^: " C. Plath .- . P~64

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abbildungsoptik (16, 17, 18) ein verzeichnungsfreies, in zwei Richtungen aberrationskorrigiertes Objektiv enthält.