DE3446009A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der roll-, nick- und gierbewegung sowie der flugrichtung eines flugkoerpers - Google Patents
Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der roll-, nick- und gierbewegung sowie der flugrichtung eines flugkoerpersInfo
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Description
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Roll-/ Nick- und Gierbewegung
sowie der Flugrichtung eines Flugkörpers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Roll-, Nick- und Gierbewegung
sowie der Flugrichtung eines Flugkörpers.
Um einen Flugkörper exakt steuern zu können, ist es vielfach erwünscht, während seines Fluges über genaue
Daten der jeweiligen Flugrichtung sowie der eventuell vorhandenen Roll-, Nick- und Gierbewegungen zu verfügen.
Hierzu wurden bisher vor allem Trägheitsinertialsysteme wie Kreiselsysteme verwendet, die jedoch eine aufwendige
Technik darstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art
bereitzustellen, mit deren Hilfe die Roll-, Nick- und Gierbewegungen sowie die Flugrichtung eines Flugkörpers
auf technisch möglichst einfache Weise und unter Verwendung möglichst störunempfindlicher Komponenten
bestimmt werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:
Eine mit ihrer optischen Achse etwa in Flugrichtung orientierte, die in ihrem Blickfeld befindliche Szene
auf flächenhaft angeordneten Photodetektorelementen abbildende Optik, eine Bildverarbeitungseinheit zur
bildpunktweisen Berechnung der räumlichen und zeitlichen Ableitungen der aus den Photodetektorelementen
ausgelesenen Bildpunktintensitätswerte sowie ein Rechenwerk zur Ermittlung der die Roll-, Nick- und
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IAfBS
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Gierbewegung sowie die Flugrichtung des Flugkörpers wiedergebenden Parameter.
Hier wird im vorliegenden Zusammenhang demnach von einer völlig anderen Technik Gebrauch gemacht. Anstelle der
aus gegeneinander beweglichen Komponenten bestehenden Kreiselsysteme werden nunmehr im Flugkörper fest
installierte Komponenten verwendet, nämlich vor allem eine vorzugsweise in Richtung der Flugkörperlängsachse
bzw. in die gewünschte Flugrichtung orientierte Optik, in deren bildseitiger Brennebene ein flächenhaftes
Array aus Photodetektorelementen, beispielsweise CCD-Sensoren, angeordnet ist. Darüber hinaus sind noch
eine Bildverarbeitungseinheit, mit der die Bildpunktintensitätswerte aus den Photodetektorelementen ausgelesen
sowie die räumlichen und zeitlichen Ableitungen dieser Werte gebildet werden können, sowie ein Rechenwerk,
mit dem die gewünschten Parameter bestimmbar sind, erforderlich.
20
Eine besonders zweckmäßige Anordnung der Photodetektorelemente sowie ein Verfahren zur Ermittlung der gewünschten
Größen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den UnteranSprüchen zu entnehmen.
25
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 in stark schematisierter Weise den vorderen Teil
eines Flugkörpers mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig.2 eine graphische Darstellung der verwendeten
Koordinatensysteme einschließlich der Bildebene, 35
S
06.12.1S
[AfSB
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Fig.3 eine T-förmige Anordnung von Photodetektorelementen
.
Gemäß Fig.1 ist im vorderen Teil eines Flugkörpers eine
nach vorne orientierte Optik 4 angeordnet, deren optische Achse 2 vorzugsweise mit der Längsachse des
Flugkörpers übereinstimmt. In der bildseitigen Brennebene der Optik 4 befindet sich eine flächenhafte Anordnung
einer Vielzahl von Photodetektorelementen 5, beispielsweise CCD-Sensoren. An diese schließt sich
eine Bildverarbeitungseinheit 6 an, in der die räumlichen und zeitlichen Ableitungen der aus den Photodetektorelementen
5 ausgelesenen Bildpunktintensitätswerte gebildet werden. Diese Werte werden anschließend
einem Rechenwerk 7 zugeführt, wo nach unten noch näher zu beschreibenden Verfahren die gewünschten Größen bzw.
Parameter, welche die Roll-, Nick- und Gierbewegung sowie die Flugrichtung des Flugkörpers 1 angeben,
berechnet werden. Diese Größen können anschließend zur Durchführung eventuell erforderlicher Lagekorrekturen
herangezogen werden.
In Fig.2 sind die geometrischen Beziehungen zwischen
den verwendeten Koordinatensystemen dargestellt. Ein flugkörperfestes Koordinatensystem OXYZ hat seinen
Ursprung O in der Optik 4, und die Richtung der optischen Achse 2 fällt mit der Z-Achse zusammen. Die
Bildebene für quasi unendlich entfernte Objekte liegt im bildseitigen Abstand f, der bildseitigen Brennweite,
hinter der Optik 4 bzw. dem Ursprung 0. In dieser Bildebene sind die Photodetektorelemente 5 in flächenhafter
Verteilung, beispielsweise als Matrix oder in T-Form, angeordnet. In Fig.2 ist die am Ursprung 0
gespiegelte Bildebene 8 mit dem Bildpunktkoordinatensystem oxy dargestellt. Ein Objektpunkt P (XYZ) werde
M nc -ι τ -ι <
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in der gespiegelten Bildebene 8 auf das "gespiegelte" Photodetektorelement 5· mit den Bildpunktkoordinaten
xy abgebildet. Die Flugrichtung 3 des Flugkörpers kann, wie in Fig.2 dargestellt, von der Richtung der optischen
Achse 2 abweichen. Dieser Flugrichtung entspricht ein Objektpunkt in der abgebildeten Szene,
welcher dann in der gespiegelten Bildebene 8 in einem Bildpunkt mit den Koordinaten xQ, yQ abgebildet wird.
Bei gleichbleibender Flugrichtung und Orientierung des Flugkörpers 1 bleibt dieser Bildpunkt im Zeitverlauf
als einziger in Ruhe, während die Bildpunkte aller übrigen Objektpunkte in der Bildebene, zum Bildrand hin
in zunehmendem Ausmaße, in Bewegung befindlich sind (Bildexplosion). Einer reinen Translationsbewegung in
Flugrichtung 3 können noch Rotationen bezüglich der Achsen X, Y, Z überlagert sein, deren entsprechende
Winkelgeschwindigkeiten 6O„, cov, £-O„ ebenfalls in der
Fig.2 bezeichnet sind.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es möglich,
allein aufgrund der in der Bildebene aus den Photodetektorelementen 5 auszulesenden Bildpunktintensitätswerte
sowie deren zeitlichen und räumlichen Veränderungen die gewünschten Größen, nämlich die Winkelgeschwindigkeiten
tUv, 6üv, CO der Nick-, Gier- bzw. Rollbewegungen
sowie die durch die Bildpunktkoordinaten x0' vn gegebene Flugrichtung, zu errechnen.
Zunächst besteht zwischen den Objektpunktkoordinaten χ, γ, ζ sowie den Bildpunktkoordinaten x, y folgende
Beziehung:
35
V 06.12.198'
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Patentabteilung
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Für die Bildpunktgeschwindigkeiten ν , ν gilt dann:
i yVf)
wobei die folgende Beziehung zwischen dem Geschwindigkeitsvektor
V des Punktes P (X, Y, Z) sowie dessen Translationsanteil T = (Tw Tv, T17) und dessen Rota-
tionsanteil—CL = ( ^Xf t^Jyr ^n) berücksichtigt wurde.
Mit den auf die Brennweite f normierten, dimensionslosen Koordinaten und Geschwindigkeiten
ergibt sich daraus folgende Beziehung für das normierte Geschwindigkeitsvektorfeld der Bildpunkte in der Bildebene
- to.
Λ^/1
Aus diesen normierten Geschwindigkeiten können im Prinzip die Winkelgeschwindigkeiten 6U__, CO _., 6O1, sowie
Λ XL·
die Richtung der Translationsbewegung (Flugrichtung, Zentrum der Explosion), gegeben durch die Parameter
β = Tv/T17,'>7 = Tv/T„, berechnet werden. Dazu sind die
Geschwindigkeitsvektoren (u, w) in der Bildebene zu messen. Dieses Problem ist bisher noch nicht zufrieden-
30 stellend gelöst.
Daher wird hier von einem an sich bekannten Ansatz Gebrauch gemacht (IEEE Transactions on Information
Theory, Vol. IT-22, September 1976, Seiten 573 - 579), nach dem die Bildpunkt Intensitäten I (x, y, t) in eine
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Reihe entwickelt werden, welche nach dem ersten Glied abgebrochen wird:
dt öx * ^y
- I^K^ Iyvy^ lt . (5)
Hierin sind die Größen I., I sowie I , die zeitlichen
χ. χ y
und örtlichen Ableitungen der Bildpunktintensitätswerte, meßbar. Insbesondere kann dl/dt = 0 gesetzt werden, wenn
keine Änderung der totalen Beleuchtung vorliegt. Aus ( 5 ) sowie ( 2. ) ergibt sich schließlich unter Berücksichtigung
von (3 ):
y ^
Dies stellt ein Gleichungssystem mit den zu messenden bzw. bekannten Größen 1,1,1. sowie f dar. Gesucht
χ y τ.
sind die Größen OJ vf 6O„, OJ „ sowie ^L und 07 .
Dieses Gleichungssystem kann nun durch die Annahme, daß die Objektpunkte der Szene auf einer geometrisch beschreibbaren
Fläche liegen, modifiziert werden. Eine starke Vereinfachung ergibt sich, wenn als Fläche eine
Ebene gewählt wird, eine Annahme, die oft wenigstens näherungsweise erfüllt sein dürfte, beispielsweise
im flachen Gelände. Aus einer entsprechenden Ebenengleichung in X, Y und Z läßt sich nach Substitution
der Koordinaten X, Y durch die Bildpunktkoordinaten x, y bzw. £: , T^ auf der Basis der Abbildungsgleichungen folgende Beziehung herleiten:
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Durch Einsetzen dieses Ausdruckes für 1/Z sowie mit a = T_/A, b = T„/B, c = T„/C ergibt sich folgendes
ü L· u
Gleichungssystem:
*■ ψ - O .
(8)
wobei nunmehr außer den fünf bereits genannten gesuchten Größen noch die zu bestimmenden Parameter a, b, c
hinzukommen. Dieses Gleichungssystem kann nach Ermittlung der Werte I , I sowie I+. für mindestens 8 BiIdpunkte
(x, y) bzw. ( t ,^ ) gelöst werden.
Die Verteilung der Bildpunktintensitäten I (x, y, t)
wird in diskreten Zeitabständen abgetastet. Die räumlichen sowie zeitlichen Ableitungen können hieraus nach
üblichen Verfahren berechnet werden.
Die Lösung des Gleichungssystems ( S ) vereinfacht sich
ganz wesentlich, wenn die Ableitungen I , I , I. für Bildpunkte auf den Achsen χ = 0 und y = 0 berechnet
werden. Das Gleichungssystem zerfällt dann in zwei
Anteile: 25
1. Bildpunkte auf der x-Achse:
+ Ι*ψ» - O
2. Bildpunkte auf der y-Achse
•h f Ie(O1V) - O
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Dieses Gleichungssystem kann mit Standardverfahren
gelöst werden. Zum Beispiel kann mittels einer Newton-Iteration die Summe
χ y
minimiert werden.
In Fig.3 ist eine T-förmige flächenhafte Anordnung von
Photodetektorelementen 5, bei denen es sich beispielsweise um CCD-Sensoren handeln kann, dargestellt. Die
Anordnung zerfällt in zwei Gruppen, welche aus jeweils drei parallelen Reihen von Photodetektorelementen 5
bestehen. Die mittlere Reihe der einen Gruppe liegt in der Bildebene auf der x-Achse (y = 0), die mittlere
Reihe der anderen, zur ersten senkrecht orientierten Gruppe liegt in der Bildebene auf der y-Achse (x = 0).
Jede Gruppe soll mindestens drei parallele Reihen aufweisen, wobei die Anzahl der einzelnen Photodetektorelemente
innerhalb einer Reihe deutlich größer sein sollte als die Anzahl der Reihen selbst. Zur Verbesserung
der Bildung der Ableitungen können anstatt drei auch fünf, sieben oder mehr Reihen pro Gruppe gewählt werden.
Die Intensitätswerte I (x, y, t) werden parallel aus den Reihen ausgelesen und in Speicher 9, 10, 11, 12 eingegeben,
wo die Intensitätswerte gespeichert und die räumliehen und zeitlichen Ableitungen berechnet werden. Zur
Berechnung der zeitlichen Ableitungen werden jeweils nur die ausgelesenen Bildpunktintensitätswerte der
mittleren Reihen benötigt, da hierfür die Werte aus zeitlich aufeinanderfolgenden Abtastungen derselben
Bildpunkte bzw. Photodetektorelemente verwendet werden.
0 ^l 06.12.19
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Zur Berechnung der räumlichen Ableitungen werden, ausgehend von ausgewählten Bildpunkten bzw. Photodetektorelementen
auf den Achsen, auch die Bildpunktintensitätswerte aus den in x- und y-Richtung benachbarten BiIdpunkten
bzw. Photodetektorelementen benötigt, und zwar jeweils aus derselben Abtastung. Die Speicher 9 und 10
dienen zur Berechnung der räumlichen, die Speicher 11
und 12 der zeitlichen Ableitung. Die Auswertung läuft dabei folgendermaßen ab: Es seien beispielsweise je
vier Bildpunkte auf der x- und der y-Achse ausgewählt. Die entsprechenden Bildpunktintensitätswerte werden
dann zu den Zeitpunkten t = -2, t = -1, t = 0 in Speicher 11 und 12 eingelesen. Daraus werden die zeitlichen
Ableitungen I. zum Zeitpunkt t = 0 für die entsprechenden Bildpunkte (x, 0) bzw. (0, y) berechnet.
Zum Zeitpunkt t = 0 werden zusätzlich die Bildpunktintensitätswerte aus den jeweils drei parallelen Reihen
in die Speicher 9 und 10 eingelesen, wo die räumlichen Gradienten I (x, 0), I (x, 0), I (0, y) und I (0, y)
λ y a y
für die ausgewählten Bildpunkte berechnet werden.
Voraussetzung dafür ist, daß die Ableitungen existieren. Dazu muß das Bild tiefpaßgefiltert werden, was sich am
einfachsten durch Defokussierung erreichen läßt.
Anschließend werden die errechneten Ableitungen aus der Bildverarbeitungseinheit 6 einem Rechenwerk 7 zugeführt,
wo die erwähnte Newton-Iteration durchgeführt wird. Hierzu werden beim ersten Berechnungsschritt von außen
Startwerte für die Parameter OJ_,, uj 6o £ Τ} ,
X' γ' ζ' ^ ' K
^Q a, b sowie c vorgegeben. Es werden ständig verbesserte
Werte für diese Parameter gewonnen und das Verfahren wird abgebrochen, sobald die erzielten Verbesserungen
unterhalb einer vorgebbaren Schwelle liegen.
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ys ^ 06.12.1 S
\MBB
20 25
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Die geschilderte, spezielle T-förmige Anordnung der Detektorelemente ermöglicht es, die Berechnung der
gesuchten Größen bzw. Parameter insgesamt wesentlich schneller durchzuführen als bei rechteckiger Anordnung
der Photodetektorelemente. Durch Wahl der Bildpunkte auf der x- und y-Achse läßt sich der mathematische
Ansatz, wie oben geschildert, wesentlich vereinfachen. Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Annahme einer
ebenen Objektpunktfläche natürlich nicht in allen Fällen
anwendbar ist. Allerdings ermöglicht sie eine wesentliche Vereinfachung des mathematischen Apparates. Im
Bedarfsfalle können auch Flächen höherer Ordnung gewählt werden.
15
35
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Roll-, Nick- und Gierbewegung sowie der Flugrichtung eines Flugkörpers,
gekennzeichnet durch 10
eine mit ihrer optischen Achse (2) etwa in Flugrichtung (3) orientierte, die in ihrem Blickfeld befindliche
Szene auf flächenhaft angeordneten Photodetektorelementen (5) abbildende Optik (4),
15
eine Bildverarbeitungseinheit (6) zur bildpunktweisen Berechnung der räumlichen und zeitlichen Ableitungen
der aus den Photodetektorelementen (5) ausgelesenen Bildpunktintensitätswerte sowie
20
20
ein Rechenwerk (7) zur Ermittlung der die Roll-, Nick- und Gierbewegung sowie die Flugrichtung des Flugkörpers
wiedergebenden Parameter.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Gesamtzahl der
flächenhaft angeordneten Photodetektorelemente (5) in zwei Gruppen unterteilt ist, die jeweils aus mindestens
drei parallel zueinander verlaufenden Reihen von Photodetektorelementen bestehen, wobei die Reihen der
einen Gruppe senkrecht zu den Reihen der anderen Gruppe orientiert sind.
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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Gruppen
eine T-förmige Anordnung bilden.
4. Verfahren zur Bestimmung der Roll-, Nick- und Gierbewegung und der Flugrichtung eines Flugkörpers
unter Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Photodetektorelemente (5) in ihrer Gesamtheit in vorgebbaren Zeitabständen wiederholt ausgelesen, die
räumlichen Ableitungen der Bildpunktintensitätswerte in zwei senkrecht zueinander orientierten Richtungen mit
Hilfe der demselben Auslesevorgang entstammenden Bildpunktintensitätswerte jeweils benachbarter Photodetektorelemente
(5) und die zeitlichen Ableitungen mit Hilfe der zeitlich aufeinanderfolgenden Auslesevorgängen entstammenden
Bildpunktintensitätswerte jeweils desselben Photodetektorelementes (5) gebildet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der Roll-,
Nick- und Gierbewegung sowie der Flugrichtung auf der Basis des folgenden Gleichungssystems berechnet werden:
1X faxh - My (■>+ 5)+ <v? *- f Q-
ν Ii = ο
wobei folgende Bezeichnungen gewählt sind: X, Y, Z die Koordinaten der der Szene angehörigen Objektpunkte,
bezogen auf den Koordinatenursprung O in der Optik (4); x, y die den Objektpunkten zugeordneten Bildpunktkoordinaten
in der mit Abstand f (Brennweite) vom
3 06.12.1i
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Ursprung O gelegenen, senkrecht zur Z-Achse orientierten
Bildebene; I (x, y, t) die Bildpunktintensitätswerte, I„/ I„# I+. deren Ableitungen, t die Zeit; Oj ,60ν,Οον
X y U Zf A X
die Winkelgeschwindigkeiten der Roll-, Nick- und Gierbewegung, bezogen auf die Achsen des Koordinatensystems
OXYZ; Τχ, Τγ, T„ die Komponenten des in Flugrichtung
weisenden Translationsgeschwindigkeitsvektors;
f = x/f, η = y/f; fo = Τχ/Τζ, ^I0= Τγ/Τζ die die Flugrichtung
wiedergebenden Parameter.
10
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet , daß falls die Szene näherungsweise als Ebene darstellbar ist, folgende Substitution
vorgenommen wird:
15
1 - fr +^ + 1 (ID
"Z-A + B + C (II)
"Z-A + B + C (II)
wobei A, B, C von der Orientierung der Ebene abhängige Konstanten sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet , daß zur Auswertung des Gleichungssystems (I) ausschließlich von auf der
x-Achse (y = 0,77= 0) und auf der y-Achse (x = 0, % = 0)
25
der Bildebene gelegenen Bildpunkten bzw. Photodetektorelementen (5) ausgegangen wird.
35
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19843446009 DE3446009A1 (de) | 1984-12-17 | 1984-12-17 | Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der roll-, nick- und gierbewegung sowie der flugrichtung eines flugkoerpers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE19843446009 DE3446009A1 (de) | 1984-12-17 | 1984-12-17 | Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der roll-, nick- und gierbewegung sowie der flugrichtung eines flugkoerpers |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3446009A1 true DE3446009A1 (de) | 1986-06-26 |
| DE3446009C2 DE3446009C2 (de) | 1988-06-16 |
Family
ID=6253005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19843446009 Granted DE3446009A1 (de) | 1984-12-17 | 1984-12-17 | Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der roll-, nick- und gierbewegung sowie der flugrichtung eines flugkoerpers |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DEUTSCHE AEROSPACE AG, 8000 MUENCHEN, DE |
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| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |