DE3308358C2 - - Google Patents
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- DE3308358C2 DE3308358C2 DE19833308358 DE3308358A DE3308358C2 DE 3308358 C2 DE3308358 C2 DE 3308358C2 DE 19833308358 DE19833308358 DE 19833308358 DE 3308358 A DE3308358 A DE 3308358A DE 3308358 C2 DE3308358 C2 DE 3308358C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Kursbestimmung 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 automatischen
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 sogenannnten
"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 hochpräziser 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 Analog-
Übertragungstechnik ebenfalls ein ziemlich hoher technischer
Aufwand erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
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
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 erhältlichen
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 im Kennzeichen des Patentanspruchs 1
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.
Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen)
- - um die Trichterachse z um 360°C; diese Drehung ergibt den Kurs;
- - um zwei dazu senkrechte Achsen x und y durch den Schwimmermittelpunkt um beispielsweise ±20°, eingeschränkt durch die Trichteröffnung, wenn 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, y, z verschobene Achsen x′, y′ und z′ 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-Achsen des Kugelschwimmers nicht
ausreichend für eine fahrzeugseitige Lagemessung.
Die Translationen in Richtung der Achsen können unberücksichtigt
bleiben. Eine Rotation um die z-Achse enspricht
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 x′- und die y′-Achse durch den Kesselaufhängepunkt.
Für die Kursmessung (A) und die Rotationen (B) werden im
folgenden die Grundlagen zweier Meßmethoden gemäß der
Erfindung beschrieben.
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 ±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 werden 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
2⁸, 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 Breitencodes
eine Auflösung von 2⁸ ergibt. Der daraus ermittelte
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 nach 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-Achse für die fahrzeugseitige
Lagemessung bestimmt werden.
Bei bekanntem Fahrt-Meßwert kann jetzt außerdem der
Fahrtfehler des Kurses korrigiert werden.
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 x′- und y′-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 Kondensatorsystem und Lochblenden, über die
ein Lichtfleck ins Zentrum des positionsempfindlichen Flächendetektors
projiziert wird, der insbesondere ein Halbleiterflächendetektor
ist und der fest am Kompaßstand oberhalb
des Kugelgelenks, d. h. fahrzeugseitig angebracht ist. Bei
Drehung um das Kugelgelenk wandert der Lichtfleck aus dem
Zentrum des Detektors aus und erzeugt zwei positionsabhängige
elektrische Analog-Signale, die proportional
zum Drehwinkel um die x′- 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 Kugelschwimmers.
Als Flächendetektor kommt insbesondere auch ein CCD-
Halbleiterbauelement in Frage, wie es in Fernsehkameras
oder in elektronischen Festbildkameras verwendet wird.
Über solchem mit horizontalem und vertikalem Schieberegister
versehene CCD-Bildabtaster lassen sich die Lagewerte
unmittelbar als Digitalwerte abgreifen.
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 übertragenen Fahrtwerte 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.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden
nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in einer
beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es
zeigt
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
Absolutkursmeßvorrichtung 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 opto-elektrische
Vorrichtung zur Ermittlung
der Positionswerte;
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 Fig. 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.
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 dem mit dem Kopfstand schiffsseitig verbundenen Teilen angebracht ist.
Die Fig. 3 läßt die konstruktiven Einzelheiten der opto-elektrischen
Positions- oder Winkelmeßeinrichtung besser
erkennen, und die Skizze der Fig. 6 verdeutlicht die
räumliche Anordnung.
Die Tragkugel 27 ist über einen hülsenartigen Ansatz 36
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
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 Fig. 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 x′- und y′-Achse sind.
Um eine verzeichnungsfreie Abbildung des optischen
Senders (IR-Leuchtdiode 15 mit nachgeschalteten 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 Dünnschicht-
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
4 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
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 Kurswertes 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, P₁,
P₂, h₁ und h₂ 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 x 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 eines Arithmetikprozessors 67, eines
RAMs 68 und des Mikroprozessors 62 aus den Eingangsgrößen
N, n, P₁, P₂, h₁ und h₂ berechnet. In einer Anzeigeeinheit
69 werden die Ergebnisse für Kurs und Neigungswinkel
dargestellt.
Die schematische Darstellung der Fig. 8 verdeutlicht die
schlitzartige Abbildung des Zeilensensors 14 über das
Objektiv 13 auf die Oberfläche der Schwimmerkugel 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 Fig. 9 bis 17 erläutert:
Die Horizontalebene des Fahrzeugs ist die x-y-Ebene (vgl.
Fig. 1); dabei liegt beispielsweise y in der Längsachse
und x in der Querachse des Fahrzeugs (Schiffs). Die z-Achse
ist die Senkrechte des Kugelschwimmers 1. Die Drehung um
die z-Achse (= Winkel R) ist der Kurs. Die Drehungen um
die x- bzw. y-Achse werden durch Winkel Φ und ω 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 Kugelschwimmer 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.
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
Fig. 9 der Buchstabe h mit entsprechendem Vorzeichen zur
Richtungsmarkierung ("+" bzw. "-") gewählt.
Wie die bereits erläuterte Fig. 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 1
(vgl. Fig. 10).
Im Allgemeinen wird der Zeilensensor 14 nicht auf den
Äquator 2, sondern auf einen beliebigen Ort des Kugelschwimmers
1 projiziert. Die Fig. 11 verdeutlicht in
einem vereinfachten Schema die relevanten Meßgrößen,
nämlich
N (Nummer des Meridians)
h₁, h₂ (Bogenmaß)
, n (Zahl von Elementen auf dem Zeilensensor 14).
h₁, h₂ (Bogenmaß)
, n (Zahl von Elementen auf dem Zeilensensor 14).
Ein beliebiges Element auf dem Zeilensensor 14 wird als
Nullpunkt des Zeilensensors definiert.
Für die Bestimmung der Winkel R (= Kurs), Φ und ω aus den
Meßgrößen sind drei Fälle zu unterscheiden:
- a) Das Fahrzeug führt keinerlei Bewegungen um die horizontalen Achsen aus, d. h. Φ = ω = 0;
- b) das Fahrzeug ist nur um die Längsachse gedreht,
d. h.
Φ = 0
ω≠0; - c) das Fahrzeug ist um die Längs- und die Querachse gedreht,
d. h.
Φ≠0
ω≠0
Fall a): (vgl. Fig. 12)
Φ = l = 0, d. h. h₁ = h₂ = 0
N, n, bekannt.
Φ = l = 0, d. h. h₁ = h₂ = 0
N, n, bekannt.
Der Kurs R wird durch den Schnittpunkt des Meridians N
bezüglich des Zeilensensor-Nullpunkts angegeben. Für
einen Abstand zwischen den Meridianen von beispielsweise
10° gilt also:
R = ω = 0.
Fall b): (vgl. Fig. 13)
Φ = 0
ω≠0, d. h. h₁ = h₂≠0
N, n, bekannt.
Φ = 0
ω≠0, d. h. h₁ = h₂≠0
N, n, bekannt.
Der Zeilensensor liegt parallel zum Äquator in der Höhe
h₁ = h₂.
Daraus folgt für den Kurs:
Φ = 0
ω = h₁ im Gradmaß.
ω = h₁ im Gradmaß.
Fall c): (vgl. Fig. 14)
Φ≠0
ω≠0
h₁≠h₂
N, n, , h₁, h₂ bekannt
= in der Höhe h; wird aus Wertetabelle bestimmt.
Φ≠0
ω≠0
h₁≠h₂
N, n, , h₁, h₂ bekannt
= 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. Fig. 14), und zwar um
den Winkel Φ. Den Zustand nach der Rückdrehung zeigt die
Fig. 15. Für den Kurs folgt daraus:
Die Strecke wird aus dem sphärischen Dreieck AP₂P₃
gemäß Fig. 16 bestimmt:
Gesucht ist: = f (Φ, h₂).
Es gilt: sin = sin Φ · sin h₂ (4)
Daraus folgt: = arc sin (sin Φ · sin h₂) (5)
Der noch unbekannte Winkel Φ wird durch Berechnung von
sin Φ aus dem spährischen Dreieck P₁P₂C gemäß Fig. 17
bestimmt:
Gesucht ist: Φ = f (Δ h, )
Durch Einsetzen von Gleichung (6) in Gleichung (5)
ergibt sich:
Durch Einsetzen der Gleichung (7) in Gleichung (3)
ergibt sich der Kurs Φ im Gradmaß.
Die Drehungen um die x- bzw. y-Achse (ebenfalls im Gradmaß)
ergeben sich zu:
ω
= h₂ 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.
Claims (14)
1. Vorrichtung zur Kursbestimmung von Fahrzeugen, die
mit einem Kreiselkompaß mit Kugelschwimmer ausgerüstet
sind,
dadurch gekennzeichnet, 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 lichtabsorbierenden Flächenelementen zur Breitenbestimmung, und
- - eine erste Abbildungsoptik (10)
die einen zum Teil der Kugelschwimmer-Oberfläche auf
einen elektro-optischen, als "Zeilensensor" bezeichneten
Wandler abbildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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-elektrischen, 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.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Codierung (4) als
Gray-Flächencode auf die Oberfläche des Kugelschwimmers
(1) aufgebracht ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zeilensensor (14)
ein Mehr-Bit-Sensor mit vier bis sechzehn, vorzugsweise
mit acht Bit Auflösung ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
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.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zeilensensor (14)
ein opto-elektrischer Matrixdetektor ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zeilensensor (14)
ein CCD-Bildabtaster ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, 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.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lagesensor (19)
als opto-elektrischer Flächen- oder Matrixdetektor ausgebildet
ist und unmittelbar oberhalb der Gelenkkugel
fahrzeugfest angebracht ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lagesensor (19)
ein CCD-Bildabtaster ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenverteilung
der Abtastelemente des Lagesensors (19)
sphärisch gekrümmt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite
Abbildungsoptik (16, 17, 18) ein verzeichnungsfreies,
in zwei Richtungen aberrationskorrigiertes Objektiv enthält.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19833308358 DE3308358A1 (de) | 1983-03-09 | 1983-03-09 | Verfahren und vorrichtung zur kursbestimmung von fahrzeugen mittels eines kreiselkompasses |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19833308358 DE3308358A1 (de) | 1983-03-09 | 1983-03-09 | Verfahren und vorrichtung zur kursbestimmung von fahrzeugen mittels eines kreiselkompasses |
Publications (2)
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---|---|
DE3308358A1 DE3308358A1 (de) | 1984-09-13 |
DE3308358C2 true DE3308358C2 (de) | 1988-06-09 |
Family
ID=6192969
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19833308358 Granted DE3308358A1 (de) | 1983-03-09 | 1983-03-09 | Verfahren und vorrichtung zur kursbestimmung von fahrzeugen mittels eines kreiselkompasses |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3308358A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4017773A1 (de) * | 1990-06-01 | 1991-12-05 | S E Sensorik Gmbh & Co Kg | Bewegungsgroessensensor mit optischem messwertaufnehmer |
DE4310405C1 (de) * | 1993-03-31 | 1994-09-08 | Deutsche Aerospace | Optischer Abgriff |
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DE102017117397B4 (de) * | 2017-08-01 | 2022-02-17 | Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg | Messsignalgerät für eine physikalische Größe |
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-
1983
- 1983-03-09 DE DE19833308358 patent/DE3308358A1/de active Granted
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4017773A1 (de) * | 1990-06-01 | 1991-12-05 | S E Sensorik Gmbh & Co Kg | Bewegungsgroessensensor mit optischem messwertaufnehmer |
DE4310405C1 (de) * | 1993-03-31 | 1994-09-08 | Deutsche Aerospace | Optischer Abgriff |
Also Published As
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DE3308358A1 (de) | 1984-09-13 |
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