DE3809538A1 - Steuerungs- und leitsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuer- und Leitsystem für Fahrzeuge, Maschinen und Roboter zur Orientierung im Raum gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Steuer- und Leitsysteme für die vorstehend aufgeführten Geräte sind in vielfältigen Ausführungsformen Stand der Technik. Hierbei sind Konzepti­ onen geschaffen worden, die jeweils nur speziell für ein Gerät bzw. eine Gerätegruppe entwickelt wurden. Steuer- und Leitsysteme beispielsweise für Flugzeuge können praktisch nicht für Roboter verwendet werden und umgekehrt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuer- und Leitsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das Fahrzeugen aller Art, Maschinen und Robotern eine exakte Orientierung bezüglich ihrer Umgebung oder relativ zueinander erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbei­ spiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterun­ gen. Es zeigen:

Fig. 1a ein Schemabild eines Ausführungsbeispiels für ein Steuer- und Leitsystem in einem Flugzeug,

Fig. 1b ein Diagramm zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a in verein­ fachter Darstellung.

Fig. 2 ein Diagramm bezüglich des Zusammenhanges der Normsichtweite und der Systemreichweite,

Fig. 3 eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels des verwendeten Sensor­ systems mit seinen zahlreichen Detektorelementen,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel entlang der Linie II-II gemäß Fig. 3.

Das hier vorgeschlagenen Steuerungs- und Leitsystem für Fahrzeuge aller Art, für Maschinen und Roboter, vermittelt diesen Geräten eine exakte Orientierung bezüglich ihrer Umgebung oder relativ zueinander unter Zuhilfenahme optischer Signale und optischer Sensoren zur richtungsab­ hängigen Erfassung solcher Signale. Hierbei kann mit optischen Signalen innerhalb und außerhalb des sichtbaren Bereichs gearbeitet werden. Letz­ teres ist insbesondere für den militärischen Bereich von Interesse, da es zum Beispiel das Starten und Landen von Flugzeugen ohne jegliches sichtbares Licht erlaubt.

Das hier vorgeschlagene System hängt nur bedingt von den atmosphärischen Sichtverhältnissen ab und wird daher wesentlich weniger durch atmosphä­ rische Störungen wie Nebel, Regen oder Schnee beeinträchtigt, als dies bei herkömmlichen abbildenden Systemen - auch dem menschlichen Auge - der Fall ist.

Das Kernstück des Steuerungs- und Leitsystems 10 für die vorgeschlagenen Verwendungsfälle ist ein optischer Sensor 11, der eine richtungsabhän­ gige Erfassung von optischen Strahlungspulsen erlaubt. Durch die Anmel­ derin sind in den DE-PS 33 23 828 und DE-PS 35 25 518 Ausführungsbei­ spiele solcher optischer Sensoren bekannt geworden. In beiden Fällen weisen die Sensoren eine Eingangsoptik nach Art eines Fliegenauges auf, das in eine Vielzahl von Eingangskanälen unterteilt ist, die von den ankommenden Lichtimpulsen je nach Ankunftsrichtung belegt werden. Die Winkelauflösung dieser Geräte ist sehr hoch und beträgt derzeit bei relativ kleinem Aufwand etwa 1°, was in 1 km Entfernung einer Ortsauflö­ sung von 17 m entspricht. Bisher werden die zitierten Geräte nur zur Warnung vor feindlicher Laserstrahlung eingesetzt, die z.B. zum Zwecke der Entfernungsmessung auf ein Luft- oder Landfahrzeug abgeschossen wer­ den.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung soll anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels für ein Luftleitsystem - wie in Fig. 1a und 1b skizziert - beschrieben werden. Es werden mehrere gepulste, punktuelle Strahlungs­ quellen 1-6, beispielsweise Halbleiterlaser oder Leuchtdioden bzw. Laser, deren Strahl aufgeweitet wird, rechts und links neben der Roll­ bahn des Flugfeldes aufgestellt. Ein an einem Flugzeug angeordneter Sen­ sorkopf 11 registriert die ankommenden Pulse in Abhängigkeit von ihrer Richtung, woraus die Winkelkoordinaten der Strahlungsquellen 1-6 bzw. 112 bezüglich eines in dem Flugzeug fixierten Koordinatensystems be­ stimmt werden. Die so ermittelten Daten können dem Piloten beispiels­ weise in analoger Form mittels einer Bildschirmgrafik übermittelt wer­ den, welche die Begrenzungen der Landebahn in perspektiver Form zeigt und vom Piloten zur Navigation benutzt werden kann. Die benützte Strah­ lung muß in diesem Fall augensicher sein, so daß die Wellenlänge zweck­ mäßiger Weise im Infrarotbereich nahe dem Sichtbaren liegt. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Strahlung für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist. Da die Strahlung jedoch nicht nach Art eines Laser­ strahls kollimiert, sondern aufgeweitet ist, werden an die Augensicher­ heit keine großen Anforderungen gestellt.

Das vorbeschriebene Beispiel läßt sich gewissermaßen "verfeinern", indem eine zeitliche Korrelation zwischen der zeitlichen Abfolge der Pulse und der räumlichen Anordnung der Lichtquellen erstellt wird. Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, daß die Lichtquellen 1-6 durchnumeriert werden und ihre Pulse in Form einer Sequenz kurz nacheinander in der Reihenfolge ihrer Numerierung abgeben, wobei diese Sequenz in bestimmten zeitlichen Abständen wiederholt wird. Für die in Fig. 1 gezeigte Lande­ bahn sind sechs Strahlungsquellen 1-6 am Umfang angeordnet. Mit Hilfe einer derartigen Codierung können an das Flugzeug zusätzliche Informati­ onen über mittelt werden, beispielsweise eine Information über Anfang und Ende der Landebahn.

Sind nun zusätzlich noch die Entfernungen der Strahlungsquellen 1-6 untereinander bzw. relativ zueinander beispielsweise in einer Datenbank des Flugzeugs gespeichert, so kann ein Bordcomputer aus den gemessenen Winkelkoordinaten die genaue Position des Flugzeugs bezüglich der Lande­ bahn (Höhe, Flugrichtung, Entfernung und Geschwindigkeit) problemlos in sehr kurzer Zeit berechnen. Die Verarbeitung der Signale mit Hilfe eines Computers läßt es weiter zu, zwischen den einzelnen Meßwerten zu inter­ polieren bzw. deren Richtigkeit zu überprüfen. Im einfachsten Fall kann z.B. der Computer aufgrund der Tatsache, daß die Strahlungsquellen 1-3 auf einer Geraden liegen, die aus den gemessenen Winkelwerten berechne­ ten Koordinaten mit Hilfe einer Ausgleichsregelung entsprechend korri­ gieren. Weiterhin können Laufzeitverschiebungen der Pulse, die sich aus den unterschiedlichen Entfernungen der Strahlungsquellen 112 vom Flug­ zeug ergeben, zu einer Interpolation bzw. Validierung der Meßdaten benutzt werden. Aus aufeinanderfolgenden Entfernungsmessungen kann die Geschwindigkeit des Flugzeugs berechnet werden.

Auch ein bereits auf der Landebahn befindliches bzw. ausrollendes Flug­ zeug kann mit Hilfe der Strahlungspulse weiter über seine augenblick­ liche Position auf dem Rollfeld informiert werden, so daß das System hier als Rollhilfe benutzt werden kann. Dadurch kann beispielsweise ver­ hindert werden, daß das Flugzeug bei völliger Dunkelheit von der Roll­ bahn abkommt bzw. über das Bahnende hinausfährt.

Hier kann allerdings das Problem auftreten, daß der Sensor 11 nicht mehr die gesamte Pulssequenz auffaßt. Dies kann jedoch dadurch behoben wer­ den, daß dem Flugzeug der Beginn der Sequenz über einen anderen Informa­ tionskanal, beispielsweise über Funk etc. mitgeteilt wird oder dadurch, daß die Strahlungsquellen 112 Doppelpulse abgeben, wobei der erste Puls jeweils den Beginn der Pulssequenz markiert und die Zeitdifferenz zwi­ schen beiden Pulsen die Strahlungsquelle 112 (1-6) kennzeichnet. Für den Fall einer sehr großen Zahl von Strahlungsquellen mag eine derartige Codierung durch Zweifachpulse nicht ausreichen, hier wird dann eine Codierung durch Mehrfachpulse vorgeschlagen, welche die Kennzeichnung der Strahlungsquelle l-n in codierter Form übermitteln.

Wie hier veranschaulicht, ergibt sich aus einer Verarbeitung der empfan­ genen Signale mittels Computer eine Fülle von Möglichkeiten, durch unterschiedliche Codierung der Aufeinanderfolge der Pulse, die von den Strahlungsquellen 112 abgegeben werden, in Korrelation mit deren räum­ licher Anordnung ein Flugleitsystem zu entwickeln, worauf hier nur in den Grundzügen eingegangen worden ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß wegen der möglichen raschen Pulsfolge im Nanosekundenbereich eine sehr große Zahl von Signalen verarbeitet werden kann, was die differen­ zierte Markierung eines großen Flugplatzes erlaubt.

Grundsätzlich eröffnet ein derartiges Flugleitsystem die Möglichkeit, Flugzeuge ohne menschliche Hilfe vollautomatisch zu starten und zu lan­ den. Auch der gesamte rollende und stehende Verkehr auf einem Flugplatz könnte auf diese Weise vollautomatisch von einem zentralen Computer aus gesteuert werden. Dazu müßten die einzelnen Flugzeuge ihre aus den emp­ fangenen Lichtsignalen errechnete Position und Geschwindigkeit laufend dem zentralen Computer - z.B. über Funk - übermitteln. Dieser würde dann in den Besitz aller Daten des gesamten stehenden, rollenden und anflie­ genden Verkehrs auf dem Flugplatz gelangen und könnte diesen präzise den Erfordernissen entsprechend steuern. Dies würde die Fluglotsen ganz wesentlich entlasten.

Ein weiterer Vorteil des vorbeschriebenen Luftleitsystems besteht darin, daß es sich gut dazu eignet, einfache mobile bzw. provisorische Flug­ plätze oder Landepisten - beispielsweise kurzfristig auf Autobahnen - einzurichten, indem man entsprechende Strahlungsquellen 12 entlang der vorgesehenen Landepiste aufstellt. Solche gepulsten Lichtquellen haben außerdem den Vorteil, daß wegen der Kurzzeitigkeit der Pulse ihr Ener­ giebedarf kleiner als bei herkömmlichen Lichtquellen ist.

Im Falle provisorischer Landepisten bietet sich folgende im Aufwand re­ duzierte Variante an. Die Strahlungsquellen entlang der Landebahn werden durch Retroreflektoren ersetzt, die vom Flugzeug aus mit Hilfe einer gepulsten Strahlungsquelle bestrahlt werden. Der Sensorkopf 11 regi­ striert dann die reflektierten Strahlungsblitze, die ebenso wie die direkten Strahlungsblitze weiterverarbeitet werden können. Derartige Retroreflektoren könnten z.B. einfach mit Hilfe von rohen Pfählen in der Erde verankert werden. Diese Ausführungsform hat allerdings wegen des geringen Energieaufwandes auch den Nachteil einer geringeren Reichweite im Falle atmosphärischer Störungen. Außerdem entfällt die Möglichkeit der zeitlichen Codierung der reflektierten Strahlungsblitze. Letzteres könnte allerdings zum Teil dadurch kompensiert werden, daß man bei­ spielsweise den Beginn der Landepiste durch eine entsprechende örtliche Anordnung der Reflektoren kennzeichnet.

Retroreflektoren ließen sich auch bei einem mobilen Leitsystem für Hub­ schrauber erfolgreich einsetzen, z.B. bei der Installation von Lande­ plätzen in schwierigem Gelände, auf Hausdächern oder im Gebirge. Hier könnte z.B. ein Landeplatz auf einfache und schnelle Weise dadurch mar­ kiert werden, daß Retroreflektoren an den Ecken eines Quadrates mit bekannter Seitenlänge ausgelegt werden. Auf einem derart gekennzeichne­ ten Landeplatz könnte ein Hubschrauber auch bei völliger Dunkelheit lan­ den.

Auch bei schwierigen Montage- oder Bergungsarbeiten könnte ein derarti­ ges Steuerungs- und Leitsystem 10 erfolgreich eingesetzt werden, da es die Möglichkeit bietet, eine Sollposition des Hubschraubers in der Luft genau festzulegen und dann durch Steuermaßnahmen festzuhalten bzw. zu fixieren, welche entweder vom Piloten oder vom Computer eingeleitet wer­ den. Dies kann beispielsweise so aussehen, daß der Pilot bei Erreichen einer bestimmten Position auf einen Knopf drückt, worauf diese Position vollautomatisch eingehalten und genau ausgesteuert wird. Zur Bergung Verwundeter in schwierigem Gelände oder bei der Montage überdimensiona­ ler, schwerer Bauteile ist das vorgeschlagene System hervorragend geeig­ net.

Als weitere Einsatzmöglichkeiten sei das Betanken von Flugzeugen in der Luft, Rendezvous-Manöver im Weltraum oder ganz allgemeine Problemstel­ lungen, bei denen ein bestimmter Punkt oder irgendein Gegenstand genau angesteuert werden müssen. Die hierzu inverse Problemstellung ist vor allem in Zusammenhang mit Bodenfahrzeugen interessant, bei denen die Vermeidung von Auffahrunfällen von großer Wichtigkeit ist. Hier ist es zweckmäßig, die vorgeschriebene Variante des Prinzips etwas zu modifi­ zieren. Retroreflektoren befinden sich ohnehin an nahezu allen Fahrzeu­ gen des täglichen Verkehrs. Es geht also lediglich darum, daß diese nicht nur vom Fahrer eines Fahrzeugs, sondern automatisch erkannt wer­ den, um damit menschliche Unzulänglichkeiten auszuschalten. Hierzu ist ein Gerät, bestehend aus zwei richtungsauflösenden Sensorköpfen und gepulster Strahlungsquelle vorzüglich geeignet. Die beiden Sensorköpfe sind z.B. hinter der Windschutzscheibe rechts und links montiert, der Pulsgeber beispielsweise in der Mitte. Mit Hilfe des reflektierten Lichts kann ein Retroreflektor richtungsabhängig erfaßt werden und gleichzeitig aus der Parallaxe dessen Entfernung bestimmt werden. Die Relativgeschwindigkeit zu dem Retroreflektor kann mit Hilfe von Wieder­ holungsmessungen bestimmt werden. Ein Mikroprozessor kann nun aus diesen Daten ermitteln, ob das Fahrzeug unter Beibehaltung der Fahrtrichtung möglichst unter Berücksichtigung der Stellung der Lenkung mit dem Retro­ reflektor kollidieren würde und ob die Relativgeschwindigkeit groß oder klein ist. Daraus resultierend können dann bei Gefahr dem Fahrer Warnun­ gen akustischer oder optischer Art vermittelt werden. Auch eine notwen­ dige Bremsung könnte der Computer anhand der Reflektoren an den Straßen­ seitenbegrenzungslinien oder an anderen Fahrzeugen ermitteln. Im Extrem­ fall ist auch eine automatische Bremsung des Fahrzeugs möglich. Der dem Fahrzeug zum Zweck des kollisionsfreien Fahrens zugeteilte Freiraum kann an die Fahrgeschwindigkeit angepaßt werden und wäre z.B. bei langsamer Fahrt auf einer engen Landstraße oder im Stadtverkehr schmaler als bei schneller Fahrt auf einer Autobahn. Dadurch werden nämlich unnötige bzw. eine Überhäufung der Warnsignale vermieden.

Ein weiterer Vorteil dieses Gerätes ist, daß seine Reichweite vor allem bei gestörter Sicht, z.B. bei Nebel, Regen oder Schnee erheblich größer als die des Auges ist, wie nachstehend noch erläutert wird. Es ist des­ halb möglich, mit einem derartigen Steuerungs- und Leitsystem bei ent­ sprechender Auslegung der Strahlungsquellen und der Retroreflektoren z.B. eine Massenkarambolage bei Nebel aus größerer Entfernung zu erken­ nen. Außerdem kann ein derartiges Gerät den Fahrer automatisch zu einer Verringerung der Fahrtgeschwindigkeit auffordern, oder sogar diese von selbst regeln, wenn die Sicht reduziert ist. Letzteres kann der Computer beispielsweise daraus ableiten, daß die Retroreflektoren der Straßenbe­ grenzungspfähle nur bis zu einer gewissen Entfernung erkannt werden. Dadurch wird auch eine Geschwindigkeitsreduzierung vor Kurven - zumin­ dest die Aufforderung hierzu - erreicht. Besonders bei Nachtfahrten läßt sich so eine Konzeption gut ausführen. Weiterhin ist die Konzeption ei­ nes umfassenden Leitsystems für den Straßenverkehr gegeben, z.B. zur zentralen Steuerung des gesamten Verkehrs auf einer Autobahn, die dann so ähnlich, wie diejenige von Flugplätzen ist.

Nachstehend soll noch auf das Prinzip gemäß der vorgeschlagenen Maßnah­ men zur Steuerung von Robotern und Maschinen eingegangen werden. Ein naheliegendes unkompliziertes Anwendungsbeispiel dieser Art besteht bei­ spielsweise darin, einen Roboter oder ein Bodenfahrzeug so zu steuern, daß sich dieses entlang einer bestimmten Bahn, bzw. eines festgelegten Fahrweges bewegt. Dies läßt sich - auch in relativ unwegsamen Gelände - dadurch realisieren, daß entlang dieses Weges Retroreflektoren ange­ bracht werden, die von einer an dem Fahrzeug oder dem Roboter angebrach­ ten Strahlungsquelle gepulst angestrahlt wird.

Eine komplexere Ausführungsform besteht darin, Roboter oder Maschinen zu steuern, die sich in einem vorgegebenen Areal frei bewegen können und dort bestimmte Arbeiten zu vollführen haben. In einer ersten Ausfüh­ rungsvariante werden charakteristische Stellen des Areals oder für die Arbeit wesentliche, wichtige Fixpunkte mit Hilfe gepulster Strahlungs­ quellen markiert. Die Roboter etc. erkennen diese mit Hilfe ihrer rich­ tungsauflösenden Sensoren. Solche Fixpunkte können bestimmte Stellen einer Autokarosserie, welche die Roboter montieren, oder bestimmte Stel­ len in einem Lager sein, aus dem der Roboter Teile anliefert.

In einer zweiten Variante werden umgekehrt die Strahlungsquellen an den Robotern angebracht und Strahlungssensoren an den Fixpunkten des Areals befestigt. Beide vorbeschriebenen Varianten können durch Reflektoren oder Retroreflektoren ergänzt werden.

Aber auch die Variante sowohl Strahlungsquellen als auch Sensoren an den Robotern anzubringen und Fixpunkte des Areals durch Reflektoren zu cha­ rakterisieren - oder umgekehrt - ist gegeben. Reflektoren lassen sich auch problemlos an Werkstücken befestigen, die die Roboter zu bearbeiten haben, oder irgendwo innerhalb des Produktionsablaufs, mit dem Zweck, daß die Roboter Position und Orientierung des Werkstücks aus der reflek­ tierten Strahlung bestimmen.

Da im Zusammenhang mit der Steuerung von Robotern die benötigten Strah­ lungsleistungen klein und die Abstände zwischen den Strahlungsquellen im allgemeinen nicht übermäßig groß sind, bietet sich vor allem hier eine Vereinfachung dergestalt an, daß die einzelnen in einem Areal angebrach­ ten Strahlungsquellen zentral versorgt werden, indem die Pulse z.B. von einem zentralen Laser aus über ein System von Lichtleitern zu den ein­ zelnen - der Markierung dienenden - Strahlungsquellen geleitet werden und dort über eine Aufweitoptik an die Umgebung abgegeben werden. Eine solche Optik kann z.B. durch ein Bündel von Lichtleitern realisiert wer­ den, das in umgekehrter Weise arbeitet wie das bekannte Lichtleiterbün­ del bei dem zum Stand der Technik zählenden Laserwarnsensor der Anmel­ derin. Zeitliche Sequenzen von Pulsen werden bei dieser Art der Versor­ gung durch die unterschiedliche Länge der Lichtleiter mit Hilfe einer Laufzeitverschiebung realisiert. Ebenso werden auf diese Weise Zwei- und Mehrfachpulse derselben Quelle realisiert, indem diese durch zwei oder mehrere unterschiedlich lange Lichtleiter angesteuert werden. Es ist aus vorstehenden Ausführungen ersichtlich, daß die Ausführungsformen und Kombinationen sehr vielseitig im Sinne der vorgeschlagenen Maßnahmen konzipierbar sind.

Bei kleineren Geräten ist es wünschenswert, das vorbeschriebene System möglichst kompakt zu gestalten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß Sende- und Empfangsoptik dieselbe optische Einrichtung und zwar z.B. das Lichtleiterbündel des Sensorkopfes sind. Zur Aussendung eines Pulses wird dieser durch eine Leuchtdiode in die Lichtleitfasern eingespeist, durch die Verzweigung aufgeweitet und ausgesendet. Beim Empfang des reflektierten Pulses durchläuft dieser den umgekehrten Weg und wird statt zur Leuchtdiode zur Photozelle umgeleitet. Diese Ausführungsform kann mit ein oder mehreren Sensorköpfen arbeiten und falls nur ein Sen­ sorkopf zur Verfügung steht, kann die Entfernungsmessung mit Hilfe einer Messung der Laufzeit des Pulses zwischen Sensorkopf und Reflektor pro­ blemlos erfolgen.

Abschließend soll noch auf die beschriebenen Leitsysteme eingegangen werden, die auch bei Nebel, Regen oder sonstigen atmosphärischen Störun­ gen funktionstüchtig sind.

Wie bereits erwähnt, ist das hier vorgeschlagene Steuerungs- und Leit­ system weit weniger durch atmosphärische Sichtbehinderung wie Nebel, Dunst oder Regen beeinträchtigt. Dies hat folgende Gründe:

Das von einer Strahlungsquelle abgegebene Licht wird in der Atmosphäre im allgemeinen durch Aerosole gestreut und im gewissen Umfang absor­ biert. Im Gegensatz zum absorbierten Anteil ändert der gestreute Anteil nur seine Richtung und trägt daher weiter zum gesamten Strahlungstrans­ port bei. Ist die Wellenlänge des Lichts klein gegenüber den streuenden Teilchen, wie dies z.B. im Sichtbaren und im nahen Infrarot beispiels­ weise beim Md-Laser ( λ=1.06 µm) der Fall ist, so wird ein großer Anteil der Strahlung nach vorne gestreut. Die Richtungsänderung ist des­ halb relativ klein und bleibt selbst nach vielen Streuvorgängen auf ei­ nen Kegel mit etwa 2° Öffnungswinkel beschränkt. Dieser Vorwärtsstreuan­ teil dominiert den diffusen Streuanteil, der auf einen viel größeren Raumwinkelbereich, nämlich einen Kegel mit etwa 30° Öffnungswinkel ver­ teilt ist, im Sichtbaren bis zu einer optischen Dicke τ ≅ 32×τ ist das Produkt aus dem Extinktionskoeffizienten σ _e und dem Abstand L von der Strahlungsquelle, also τ=σ _e L.

Die Photonen des Vorwärtsstreuanteils werden also auch in relativ dich­ ten Medien nur wenig aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkt. Es ist daher möglich, aus einer Messung der Ankunftsrichtung dieser Photonen innerhalb gewisser Grenzen auch die Richtung zu bestimmen, in der die Lichtquelle liegt. Dazu ist es nötig, den Vorwärtsstreuanteil von der übrigen vorhandenen Strahlung zu unterscheiden. Bei herkömmlichen abbil­ denden Verfahren ist dies jedoch nicht möglich. Eine herkömmliche Strah­ lungsquelle wird daher bereits bei kleinen optischen Dicken meist durch diffuse Fremdstrahlung z.B. das Sonnenlicht, überstrahlt, so daß sie nicht mehr zu erkennen ist. Die Situation wird bereits durch Verwendung monochromatischer Strahlung und eines wellenlängenselektiven Filters am Sensor wesentlich verbessert, da dadurch die Fremdstrahlung ausgeschal­ tet werden kann. jedoch auch die eigene diffuse Streustrahlung einer Strahlungsquelle kann bis zu einem gewissen Grad ausgeschaltet werden, und zwar durch zeitselektive Verarbeitung der ankommenden Pulse. Durch die Streuvorgänge werden die Photonen nämlich nicht nur aus ihrer ur­ sprünglichen Richtung abgelenkt, sie kommen infolge des zurückgelegten größeren Weges auch später am Empfänger an. Im Falle starker Streuung empfangen daher die einzelnen Eingangskanäle des Sensors Signale mit unterschiedlichem zeitlichem Verlauf, wobei der Puls, der von dem direkt auf die Strahlungsquelle gerichteten Auge empfangen wird, die kleinste Verbreiterung aufweist. Es ist daher möglich, durch eine Analyse des zeitlichen Verlaufs der empfangenen Signale die Richtungsauflösung des Sensorkopfes im Fall atmosphärischer Sichtbehinderung zu verbessern.

Eine grobe Abschätzung der Reichweite L _R eines derartigen Systems in Abhängigkeit von der Normsichtweite V _N läßt sich folgendermaßen gewin­ nen:

Für den Extinktionskoeffizienten σ _e gilt im nahen Infrarot bis zu einem Abstand von einigen km von der Strahlungsquelle näherungsweise die sogenannte Angströmbeziehung. Aus dieser Beziehung folgt unter der An­ nahme, daß die Anordnung entsprechend den vorstehenden Ausführungen bis zu einer optischen Dicke von τ=σ _e L ≅ 32 funktioniert, für die Reichweite:

L _R = 32/3.2 V _N (0,55/2)^-(V N ^/3)1/3 .

In der Fig. 2 ist L _R für λ=1.5 µm, also eine bereits augensi­ chere Wellenlänge, als Funktion von V _N entsprechend dieser Formel graphisch angegeben. Wie man sieht, ist L _R wesentlich größer als V _N und zwar in dem hier interessierenden Bereich um einen Faktor 12 bis 15. Zu diesem Resultat ist zu sagen, daß der aus der Literatur (G. C. Mora­ dian, M. Geller, L. B. Stotts, D. H. Stephens and R. A. Krautwald: "Blue-green pulsed propagation through fog" - Applied Optics, 18, 429 ff (1979) ) entnommene Grenzwert 32 für t als sehr vorläufig zu betrach­ ten ist und relativ stark von der jeweiligen Aerosolverteilung abhängt, was eine Korrektur von L _R nach oben oder unten bedingen kann. Weiter wurde die oben diskutierte zeitliche Analyse der ankommenden Signale nicht berücksichtigt, wodurch sich L _R vermutlich erheblich vergrößern läßt. Insgesamt ist jedoch zu erwarten, daß die Reichweite eines hier vorgeschlagenen Systems erheblich größer als die des menschlichen Auges ist.

Claims (17)

1. Steuerungs- und Leitsystem für Fahrzeuge, Maschinen und Roboter zur exakten Orientierung im Raum oder relativ zueinander unter Nutzung optischer Signale mittels optischer Sensoren zur richtungsmäßigen Erfas­ sung optischer Signale innerhalb und außerhalb des sichtbaren Bereiches, dadurch gekennzeichnet, daß an, in und/oder nahe des Steuerungs- und Leitsystems (10) ein oder mehrere an sich bekannte Sensoren (11) mit op­ tischen Detektorelementen (12, 13) zur richtungs- und/oder zeitabhän­ gigen Erfassung eigener oder fremder optischer Strahlung und gepulste Strahlungsquellen (112) und Reflektoren angeordnet sind, die erhaltenen Signale in einem Prozessor elektronisch zur Informationsgewinnung über die räumliche Anordnung und Bewegung von Fahrzeug, Maschine oder Roboter oder Teilen derselben sowie von Objekten und deren Umgebung im Raum ver­ arbeitet werden und die gewonnenen Informationen in einem Computer zur vollautomatischen Steuerung in Aktion oder Reaktion von Fahrzeug, Ma­ schine oder Roboter weiterverarbeitet werden.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strah­ lungseinfallwinkel durch eine oder mehrere Eingangsoptiken (13) bestimmt wird, indem die Einfallsrichtung der Strahlung durch einen Signal-Ampli­ tudenvergleich an mehreren Detektorelementen (12, 13) ermittelt wird.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die verwendeten Sensoren (11) sich aus einer Vielzahl von jeweils als Einzelkanal ausgebildeten Eingangsoptiken (13) zusammensetzen, die über unterschiedlich lange Lichtleiter (14), die als zeitliche Verzögerungs­ elemente dienen, zu einem gemeinsamen Detektorelement (12, 13) führen, wodurch mittels einer Zeitintervallmessung bezüglich der Laufzeit der Signale der Strahlungseinfallwinkel ermittelt wird.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Sensoren (11) die durch atmosphärische Sichtbehinderungen verursachte zeitliche Deformation der ankommenden Pulse in Abhängigkeit ihrer Ankunftsrichtung registrieren und zu deren genauen Richtungsbe­ stimmung im Computer verwerten.

5. System nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Computer des Systems (10) mit einer Datenbank über die genaue räum­ liche Anordnung der Strahlungsquellen (112) und Reflektoren einerseits und der Detektorelemente (12, 13) andererseits versehen ist.

6. System nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquellen (112) monochromatisches Licht abgebende Einrich­ tungen, wie beispielsweise Laser- oder Leuchtdioden, verwendet werden.

7. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektorelementen (12, 13) des oder der Sen­ soren 11 Filter so zugeordnet sind, daß nur Strahlung der eigenen Wel­ lenlänge durchgelassen wird.

8. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Strahlungsquellen (112) für eine Strahlungsver­ teilung in einem weiten Raumwinkelbereich Linsensysteme, Spiegel oder Lichtleitfasern (14) zugeordnet sind.

9. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (112) ihre Pulse in einer bestimmten zeitlichen Sequenz abgeben, welche in einem bestimmten Zeit­ abstand wiederholt wird, wobei eine Korrelation zwischen der zeitlichen Reihenfolge der Pulse und der räumlichen Anordnung der Strahlungsquellen so durchgeführt wird, daß die Strahlungspulse den Strahlungsquellen auf­ grund der Reihenfolge in Pulssequenz zugeordnet werden können.

10. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem die optischen Informationen der optischen Sen­ soren bzw. Detektorelemente (12, 13) verarbeitenden Computer der Start der Pulssequenz auf einem gesonderten Kommunikationsweg - beispielsweise über Funk, Kabel oder Lichtleiter - übermittelt wird.

11. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Strahlungsquellen (112) Mehrfachpulse in Form bestimmter zeitlicher Sequenzen abgeben, durch welche die jewei­ lige Strahlungsquelle (112) nach einem bestimmten Code gekennzeichnet ist, so daß der die Pulse verarbeitende Computer die Strahlunqsquelle identifizieren kann, wobei dies im einfachsten Fall ein Zweifachpuls nach Art eines Startstop-Signals sein kann, dergestalt, daß die Länge des zwischen den Pulsen liegenden Zeitintervalls zur Kennzeichnung der Strahlungsquelle dient.

12. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere oder alle Strahlungsquellen (112) zentral mit Hilfe eines Lichtleitersystems aus Lichtleitfasern (14) versorgt werden, wobei die Lichtwege zu den einzelnen Quellen unterschiedlich lang ausgebildet sind, so daß sich infolge der unterschiedlichen Verzö­ gerung des von der zentralen Strahlungsquelle abgegebenen Pulses automa­ tisch eine entsprechende Pulsfolge ergibt.

13. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zentral erzeugten Strahlungspulse den einzelnen Strahlungsquellen (112) über Mehrfachlichtleiter zugeführt werden, wobei die einzelnen Lichtleitfasern (14) unterschiedlich lang sind, so daß jede Strahlungsquelle eine bestimmte Pulssequenz zeitlich wiederholt.

14. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender und Empfänger dieselbe optische Einrich­ tung (11, 13) verwendet wird.

15. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleitfaserbündel (14) für Sende- und Empfangsoptik verwendet wird.

16. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entfernungsmessung mit Hilfe einer Laufzeit­ messung zwischen Sender und "Reflektor" durchgeführt wird.

17. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnenen Informationen digital oder analog mit Hilfe - beispielsweise einer perspektivischen Bildschirmgrafik - einem Beobachter angezeigt wird, der mit deren Hilfe die räumliche Anordnung und Bewegung des Fahrzeugs, Roboters etc. steuert.