DE3936700A1

DE3936700A1 - Helm-richt-vorrichtung

Info

Publication number: DE3936700A1
Application number: DE3936700A
Authority: DE
Inventors: James Lionel West; Laurence Daniel Bradley
Original assignee: Hughes Microelectronics Ltd
Current assignee: Hughes Microelectronics Ltd
Priority date: 1988-11-03
Filing date: 1989-11-03
Publication date: 1991-01-03
Also published as: FR2657154A1; IT1237026B; IT8948504A0; CA2002039A1; IT8948504A1; GB2239366A; GB8825706D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Festlegen der Sichtlinie und wahlweise der Ausrichtung eines Helmes im Raum, und im besonderen, aber nicht ausschließlich, Helme, die von Militärpersonal getragen werden.

Militärische Hemlrichtsysteme sind bekannt und stellen eine alternative Lösung zum Zielen mit Gewehren oder Raketen dar. Z. B. basiert das traditionelle Verfahren für Kampfpiloten mit einer Rakete auf das gewünschte Ziel zu zielen darauf, daß der Pilot das Flugzeug im wesentlichen in die Richtung des Zieles ausrichtet, wobei er ein Zielfadenkreuz verwen det, das vor ihm angezeigt wird; dies ist bekannt als Visierkontrollzielen. Mit einer Helmrichtvorrichtung braucht der Pilot nur in die Richtung des Zieles zu schauen (das außerhalb der Achse der Flugrichtung liegen kann), wobei er durch ein Zielfadenkreuz, z. B. auf dem Helmvisier, unter stützt wird. Eine Registriervorrichtung ist im Cockpit bereitgestellt, um die Sichtlinie und wahlweise die Raumaus richtung des Helmes festzulegen und um das geometrische Ver hältnis zwischen der Helmsichtlinienachse und der longitudi nalen Raketenachse zu errechnen. Die letztere entspricht typischerweise der longitudinalen Flugzeugachse, wenn die Rakete darauf wartet abgeschossen zu werden. Das Off-axis- Verhältnis wird zu dem Führungssystem der Rakete weiterge leitet, das dann die nötigen Steuerkursinformationen in Richtung des Off-axis Zieles hat, wenn sie abgefeuert wird. Ein derartiges Helm-Richt-Vorrichtungs-System kann in ähnli cher Art und Weise zum Steuern von Kanonen beim Zielen (z. B. in Helikoptern oder Panzern) oder selbst in nicht militä rischen Umfeldern verwendet werden. Ein Beispiel für das letztere wäre die Verwendung eines solchen Helmes in der Massensteuerung: Die Richtung der Ausrichtung einer fernge steuerten Kamera kann durch einen Operator gesteuert werden, der solch einen Helm trägt und die Masse in einer Umgebung beobachtet, die mit der nötigen Optik und Elektronik ausge stattet ist. Ein bekanntes Helm-Führungssystem basiert auf der Übertragung von elektromagnetischen Feld-Vektoren von einer festen Antenne zu einer Empfangsantenne auf dem Helm. Die übertragene elektromagnetische Welle erzeugt eine feste Raumreferenz, und wenn sich der Helm in dem Feld bewegt, überträgt die Empfangsantenne Signale zu einer Regi striereinheit, die in der Lage ist, die Helmorientierung re lativ zu dem festen Feld zu errechnen. Solche Systeme sind z. B. in den US-PSen 42 87 809 und 43 94 831 beschrieben. Ein Nachteil von Systemen, die auf Elektromagnetismus basie ren ist, daß sie empfindlich auf unerwünschte Influenz von anderen magnetischen Feldern der Umgebung (z. B. dem Flug zeugcockpit) reagieren.

Bei Helmrichtvorrichtungen zur Verwendung durch einen Pilo ten entsteht des weiteren eine Schwierigkeit dadurch, daß das Probenehmen von Daten bezüglich der Helmausrichtung schnell genug geschieht, da berücksichtigt werden muß, daß der Kopf des Piloten sich hin und wieder mit Raten größer als 100° pro Sekunde bewegen kann. Wenn das System nicht in der Lage ist, schnell Proben nehmen zu können, werden Helm positionsfehler eingeführt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ver besserte Helm-Richt-Vorrichtung bereitzustellen, die die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik nicht auf weist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfogt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Helm-Richt-Vorrichtung bereitsgestellt wird, die es erlaubt, daß Daten so schnell und mit einer solchen Genauigkeit er faßt werden, daß die Verwendung in einem Cockpit bsp. eines Kampfflugzeuges möglich ist.

Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Helm-Richt-Vor richtung bereitgestellt, die eine erste Vielzahl von Licht quellen beinhaltet, sowie eine zweite Vielzahl von Einfalls richtungssensoren, zum Empfangen eines Lichtstrahles der Lichtquellen, wobei entweder die erste Vielzahl oder die zweite Vielzahl fest an dem Helm befestigt ist, dessen Sichtlinie und wahlweise dessen Ausrichtung wünschenswerter weise errechnet werden soll und wobei die andere Vielzahl an festen Referenzpunkten befestigt ist, und Vorrichtungen, die auf Signale empfänglich sind, die durch die Einfallsrich tungssensoren empfangen wurden, um jeweils Signale mit spe zifischen Lichtquellen in Verbindung zu setzen, um die Ein fallsrichtung von jedem gegebenen Sensor zu jeder gegebenen Lichtquelle zu errechnen, und um Sichtliniensignale und wahlweise Ausrichtungssignale bezüglich der festen Bezugs punkte des Helmes zu errechnen.

Einfallsrichtungssensoren ("direction-of-arrival-sensors" = DOAS) sind komerziell erhältlich und können für die vorlie gende Erfindung verwendet werden. Ein bekannter DOAS wird als Quadrantendetektor bezeichnet und besteht aus vier ebe nen Fotodetektoren, die jeweils in den vier Quadranten einer Ebene angeordnet sind, die von imaginären x-y-Achsen aufge spannt wird. Jeder Lichtstrahl, der auf die Detektoren ein fällt wird zunächst durch eine Linse fokussiert. Die tatsächliche Einfallsrichtung des Lichtstrahles bestimmt präzise wo auf den vier Quadranten der fokussierte Licht strahl einfällt. Die relative Leitfähigkeit der vier Fotode tektoren kann dann in eine geometrische Einfallsrichtung übertragen werden. Eine solche Vorrichtung ist von Integra ted Photomatrix Ltd., Dorchester, UK (part IPL 10130) er hältlich und hat einen fokussierten Lichtspot in der Größe von 1 mm Durchmesser.

In einem weiteren bekannten DOAS sind die vier Quadranten- Fotodetektoren durch ein CCD-array ersetzt. Auch hier wird, davon abhängig wo der fokussierte Strahl auf das Array ein fällt, das empfangene Signal in einer Einfallsrichtung über tragen. Ein geeignetes CCD-Array ist ein Sony ICX021CL, das eine Festkörperbildvorrichtung ist, die für schwarz-weiß Fernseher entworfen wurde. Es weist einen fokussierten Lichtstrahldurchmesser von ungefähr 20 µm auf.

Indessen verwendet die vorliegende Erfindung vorzugsweise einen DOAS, der eine planare Basis und einen dreidimensiona len Körper aufweist, der sich von ihm fort erstreckt, wobei der dreidimensionale Körper aus wenigstens vier ebenen, an einandergrenzenden reflektierenden Oberflächen gebildet ist, die so angeordnet sind, daß die Berührungslinien von benach barten Oberflächen parallel zueinander und senkrecht auf der Basis liegen, wobei wenigstens vier optische Sensoren auf der Oberfläche der Basis angeordnet sind, jeweils einer für eine reflektierende Oberfläche, wobei sich jeder Sensor von der Kante der Basisoberfläche nach außen erstreckt, wo seine reflektierende Oberfläche die Basisoberfläche berührt.

Vier reflektierende Oberflächen bilden einen kubischen drei dimensionalen Körper. Aus Gründen der Einfachheit der Signalverarbeitung sollten die vier reflektierenden Oberflä chen wünschenswerterweise einen rechteckigen Spat (vorzugs weise einen Würfel) bilden.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Sicht eines DOAS, der vorzugs weise in der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 eine reduzierte zweidimensionale Seitenansicht des DOAS von Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht des DOAS von Fig. 1, um zu erklären, wie die Einfallsrichtung des Lichtstrahles errechnet wird;

Fig. 4 eine Darstellung, die für Erklärungszwecke im Angang verwendet wird;

Fig. 5 in einer schematischen Form eine bevorzugte Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie im Cockpit eines Flugzeugs verwendet werden kann.

Gemäß Fig. 1 ist ein DOAS nach der vorliegenden Erfindung dargestellt, der ein Halbleitersubstrat 2 aufweist, von dem sich ein Würfel 4 forterstreckt, dessen vier aufrechtstehende Oberflächen 6 verspiegelt sind, um so perfekte Reflek toren wie möglich für das ankommende Licht bereitzustellen, dessen Einfallsrichtung wünschenswerterweise festgestellt werden soll. Von den Basiskanten von jeder der vier reflek tierenden Oberflächen erstreckt sich, durch das Substrat 2 getragen, jeweils ein Fotodetektor 8, der einen quadrati schen aktiven Bereich aufweist. Die leitenden Anschlüsse der vier Fotodetektoren sind zu der Detektorelektronik (schema tisch als 10 dargestellt) geführt. Die letztere legt durch Spannungsverhältnisse das Leitungsverhältnis und somit das einfallende Licht fest, das auf gegenüberliegende Paare von Fotodetektoren fällt. Durch das Verarbeiten dieser Verhält nisse ist es möglich, wie weiter unten erklärt werden wird, den Einfallswinkel eines Lichtstrahles, der auf das DOAS einfällt, festzulegen. Eine fokussierende Linse die zwischen dem Würfel und den Fotodetektoren angeordnet ist, wird nicht benötigt. Ein flaches Schutzfenster indessen kann einge richtet werden.

Die Art und Weise, auf die der Einfallswinkel festgelegt wird, soll nun erklärt werden. Für den Zweck der Erklärung soll angenommen werden, daß die Größe des DOAS relativ zu seiner Entfernung zu der Lichtquelle so ist, daß die Licht wellen auf das DAOS eben auftreffen.

Gemäß Fig. 2 ist eine auf zwei Dimensionen reduzierte Dar stellung des DOAS gezeigt. Im wesentlichen besteht sie nur aus einem Paar von sich gegenüberliegenden Paaren von Foto detektoren 8 und den jeweils zugeordneten Spiegeln 6. Das einfallende Licht, das den Aufbau von einer Quelle S kommend trifft, ist unter einem Einfallswinkel R gezeigt, wobei

R = tan^-1 h/w

ist,
wobei h gleich der Höhe des Spiegels 6 und w gleich der Länge des aktiven Bereichs des Fotodetektors ist.

Der brauchbare Detektierbereich δ ist ebenfalls dargestellt. Er ist definiert durch den begrenzenden Winkel R_aR unter dem Licht das auf den Spiegel 6 auftritt, aufhört auf die Foto detektoren 8 zurückreflektiert zu werden, sondern in den Raum zurückreflektiert wird. Unter solchen Umständen ist der theoretisch brauchbare Bereich ± (90-R_aR). Für h=w und R_aR=45° ist der brauchbare Bereich 90°. In Wirklichkeit wird der brauchbare Bereich kleiner sein, da bei diesen Grenzen der eine oder andere Fotodetektor nur ungenügend beleuchtet werden würde und der Aufbau weniger genau arbeiten würde. Ein realistischer brauchbarer Bereich beträgt ungefähr 80°.

Betrachtet werden soll nun in Fig. 3 dargestellte, drei dimensionale Version des DOAS der Erfindung. Die Licht quelle, deren Einfallsrichtung festgestellt werden soll, kann als auf eine Halbkugel mit dem Radius r direkt über den DOAS liegend angenommen werden. Die Projektion dieser Halb kugel auf die Grundebene des Fotodetektors 8 (d. h. auf Substrat 2) ist in Fig. 3 als P dargestellt, genau wie auch die Grenze eines Bereiches der Hemisphäre PS, bei der der Winkel des Lichtstrahls zu der Senkrechten der Grundebene (90°-R_aR) ist. Eine imaginäre X-Y-Achse, die in der Grundebene liegt und deren Ursprung im Zentrum des Würfels 4 liegt und deren Achsen parallel zu den zwei Paaren der Foto detektoren sind, ist ebenfalls dargestellt.

Da die Projektion des Hemisphärenteils symmetrisch bezüglich der Normalen ist, braucht nur ein Quadrant des Hemisphären teiles betrachtet werden, wie dargestellt. Die Lösung der Position der Projektion der Lichtquelle in diesem Qua drantenbereich ist für die anderen drei Quadranten iden tisch. In einem der vier Quadranten muß die Projektion der Lichtquelle S liegen, um ihre Position durch das DOAS detek tierte zu lassen.

Das Problem der Detektion der Position von S in dem Quadranten und somit seiner Einfallsrichtung kann aus den Verhältnissen der Spannung auf zwei gegenüberliegenden Paaren von Fotodetektoren erhalten werden. Die vollständige Lösung dieses Problems ist im Anhang 1 zusammen mit einer Abschätzung der Genauigkeit der Vorrichtung angegeben. Die Lösung soll hier zusammengefaßt angegeben sein. Aus Gründen der Handhabbarkeit der Erfindung ist nur die Angabe der Endergebnisse nötig.

Im folgenden werden nun die Fotodetektoren als Dxp, Dxn; Dyp, Dyn bezeichnet und das Verhältnis der Spannung dieser Paare als

Das Problem der Festlegung der Position von S kann nun ge löst werden, indem der Quadrantenbereich in drei Bereiche ge teilt wird:

Bereich 1

Die Projektion von S befindet sich bei S1, wobei die Koordi naten von S1: xw/2 und yq/2 sind (wobei w Länge einer Seite des Würfels ist).

S1 befindet sich dann beinahe direkt über dem Würfel und es wird kein Licht auf den Spiegel 6 auffallen und folglich wird kein Licht auf den Fotodetektor fallen. Jeder wird un gefähr den gleichen Lichtbetrag registrieren.

Infolgedessen kann, in einer ersten Näherung, wenn S bei S1 liegt, angenommen werden:

Wenn die dreidimensionalen karthesischen Koordinaten von S gleich X_S, Y_S, Z_S sind, dann ergibt sich X_S=Y_S=0; Z_S=1.

Bereich 2

Die Projektion von S befindet sich innerhalb eines von zwei schmalen Bändern an den Kanten des Quadranten, die sich je weils parallel zu den X und Y-Achsen hinziehen. Sie sind als S2a und S2b dargestellt.

Für S2a gilt: xw/2 y<w/2 und
S2b: yw/2 x<w/2.

Nur eines dieser Bänder muß betrachtet werden, da die Lösung für das andere Band identisch ist (nur senkrecht).

Befindet sich die Projektion innerhalb von S2a, dann wird jeder der vier Fotodetektoren direkt beleuchtet und zusätz lich eine zusätzliche Reflexion des Spiegels für Dyp statt finden. Ferner wird ein Schattenbereich auf wenigstens einen von Dxn und Dxp vorhanden sein, aber in erster Näherung kann dies vernachlässigt werden (siehe Anhang 1). Daraus folgt, wenn S sich innerhalb des Bereichs S2a befindet:

(Wenn = 1 und ≠ 1, dann gilt daß S innerhalb von S2b liegt).

Wenn man erneut die karthesischen Koordinaten von S in der Halbkugel als X_S, Y_S, Z_S annimmt, dann gilt:

X_S = 0 und

= tan Φa, wobei Φa der Winkel der Linie OS ist, vom Ursprung zu S, zur der Z-Achse in der Y-Ebene.

Wenn

kann gezeigt werden (Anhang 1), daß

ist.

Bereich 3

Die Projektion von S befindet sich im Bereich S3, wobei die Koordinanten von S3 sind:

x < w/2 y < w/2.

Es kann leicht gezeigt werden, daß:

Erneut sollen die S-Koordinaten X_S, Y_S und Z_S sein.

Nimmt man

kann gezeigt werden (siehe Anhang 1), daß:

B = [-(K₆-K₅-2)-((K₆-K₅-2)²-8K₅)^1/2]/2
A = [-(K₅-K₆-2)-((K₅-K₆-2)²-8K₆)^1/2]/2

aus denen man und und somit die Position von S erhalten kann.

Es ist sinnvoller, A und B direkt in die Richtungscosinussen des Einheitsvektor U in der Richtung von S anzugeben.

Es kann wieder gezeigt werden, daß:

(A² + B² + 1)^-1/2 = cos

Folglich kann die Richtung von S im Bereich 3 angegeben wer den durch U=cos α, cos β, cos γ.

In einer sich in Funktion befindenden Ausführungsform der Erfindung ist ein Spiegelwürfel von 1 cm³ aus Metall gebil det, der mit Gold elektrobeschichtet ist, um eine hochre flektierende Oberfläche für die 633 nm Linie eines He/Ne-La sers zu erhalten. Der Würfel ist auf einem Substrat befestigt, das vier Siliziumfotodetektoren mit einer Fläche von jeweils 1 cm² trägt. Dieser Aufbau wurde getestet, um eine Wiederholbarkeit und eine hohe Empfindlichkeitsgenauig keit von besser als ±0,2° und einer absoluten Genauigkeit von ±1° bei den Extremen eines 30° Conus′ zu haben, inner halb dem die Lichtquelle angeordnet war.

Gemäß Fig. 5 ist ein Pilotenhelm 12 dargestellt, der inner halb des Cockpits 14 angeordnet ist. Das Cockpit trägt wenigstens zwei DOAS (16, 18), vorzugsweise des oben beschriebenen "Spiegeltyps". Auf dem Helm sind wenigstens drei LED (lichtemittierende Dioden) Lichtquellen 110, 112, 114 befestigt.

Die LEDs emittieren Kugellichtwellen, die durch die DOAS registriert werden. Die Größe der DOAS im Verhältnis zu ihrer Entfernung zu den LEDs ist so gewählt, daß sie ausrei chend klein ist, so daß, aus praktischen Gründen, jedes DOAS betrachtet werden kann, als empfange es ebene Lichtwellen von jedem LED.

Der Helm ist unabhängig von dem restlichen System und bein haltet eine Batterieleistungsquelle um die LEDs und die Oszillatoren zu versorgen, die jede LED mit verschiedenen Frequenzen modulieren. Die DOAS empfangen die modulierten Lichtsignale und unterscheiden zwischen jedem LED durch Fil tern des empfangenen Signals. Von jedem unterschiedenem Signal kann die Einfallsrichtung des Lichtstrahls (d. h. die Raumrichtung von dem DOAS zu dem fraglichen LED) errechnet werden, wie es in der parallelen Patentanmeldung beschrieben ist.

In einem idealisierten System sollte die Raumrichtung von jedem der LEDs durch den Schnittpunkt der errechneten Ein fallsrichtung von zwei voneinander entfernt angeordneten DOAS zum LED definiert werden. Im allgemeinen werden diese Linien nicht exakt koinzidieren und es ist sinnvoll, als die LED-Position den Mittelpunkt der kürzesten Verbindungslinie zwischen den sich begegnenden errechneten Linien auszuwäh len. Mit der Festlegung von den Raumpositionen von drei ver schiedenen LEDs ist es dann ein simpler trigonometrischer Sachverhalt, diese Positionen in eine Raumorientierung des Helmes und in die Pilotensichtlinie zu übertragen.

Um eine größere Genauigkeit zu erhalten, kann auch eine größere Anzahl von DOAS und LEDs eingesetzt werden. Es ist ferner möglich, die Positionen der LEDs und DOAS zu ver tauschen so daß die letzteren sich auf dem Helm befinden. Dies ist weniger vorteilhaft, da es nötig wird, den Helm mit dem Elektroniksystem des Flugzeugs zu verbinden.

Mit einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, nicht nur die Sichtlinie eines Piloten relativ zu seinem Cockpit festzulegen, sondern auch die Ausrichtung seines Kopfes in bezug auf diese Sichtlinie. Diese letztere Information muß nicht nötig sein, wenn z. B. die Sichtlinie eingesetzt wird, um eine Rakete auf einer Off-Axis Trajectorie des Flugzeuges abzuschießen.

Anhang

Dieselben Symbole und Bezüge wie in der vorliegenden Be schreibung benutzt, sollen nun auch desweiteren verwendet werden.

In einem Arbeitsbeispiel soll angenommen werden, daß

w = h = 250 µm

und

R_min=12 cm ist (wobei R_min die minimale Arbeitsdistanz der Quelle S von dem DOAS ist).

S emittiert Kugelwellen, aber bei R_min sind sie über eine Dimension von ungefähr gleich w örtlich eben. Es sei ange nommen, daß die geforderte Genauigkeit ungefähr gleich 0,2° ist (dies ist ein Teil von 450 über einen Bereich von 90°C). Da das Problem symmetrisch ist, ist eine Genauigkeit von 0,2° über einen Bereich von 0<Φ<45° gefordert. Dadurch ist ein Teil von 235 eine breite Anforderung für die Verhältnis messung der Leistung, die auf die Fotodetektoren fällt, un ter der Annahme, daß sie vernünftig einheitliche Empfind lichkeiten haben. Infolgedessen kann ein Faktor bei der Po sitionserrechnung vernachlässigt werden, der einen Wert von erheblich weniger denn 1/225 aufweist.

1. Einfallende Leistung auf eine ebene Oberfläche

Es soll nun angenommen werden, daß die einfallende Leistung der Quelle S auf einen ebenen Bereich, w², fällt. Im folgen den nimmt man die Intensität auf dem ebenen Bereich, der in einer Entfernung R von der Quelle S angeordnet ist und dessen Senkrechte in Richtung der Quelle gerichtet ist als I_LR^-2 an. Dann ist die einfallende Leistung auf diesen Bereich I_LR^-2w². Wenn die Ebene bezüglich der Quelle um einen Winkel R geneigt ist, dann reduziert sich die einfallende Leistung durch cos R. Die Leistung P ist dann:

P = I_LR^-2w² cos R

Solange die Quelle S direkt über dem DOAS ist (x=0, y=0), dann ist für alle zwei gegenüberliegenden Fotodetektoren (d. h. Dxp, Dxn; Dyp, Dyn) die Distanz R nicht die gleiche.

Im folgenden soll nun angenommen werden, daß die Entfernung zu einem Fotodetektor (z. B. Dxp) gleich R ist, und die Distanz zu dem gegenüberliegenden Fotodetektor (Dxn), gleich R+δ ist. Dann folgt:

P(Dxp) = I_LR^-2w² cosR

P(Dxn) = I_L(R+δ)^-2w² cosR

und das Verhältnis der beiden Leistungen ist:

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß der kleine Entfernungsunterschied zur Quelle S von zwei gegenüberlie genden Paaren von Fotodetektoren vernachlässigt werden kann, wenn man Leitungsverhältnisse betrachtet.

2. Schattenberechung

Für verschiedene der unten gemachten Berechnungen ist es nö tig, die Position von einigen Schatten festzulegen, die durch den Würfel 4 auf die Fotodetektoren geworfen werden.

Einer dieser Schatten ist in Fig. 4 bezüglich Dxn darge stellt. Fig. 4 ist eine Draufsicht eines nach unten gerich teten Blickes auf das DOAS. Es soll nun angenommen werden, daß die oberen Kanten des Würfels A, B, C, D sind. Die Kante des Schattens auf Dxn ist die Überlagerung der Ebene, die S und die Würfelecke CD enthält mit der Ebene von Dxn (der x- y-Ebene). Die Schnittlinie ist als Linie L1 dargestellt und die tatsächliche Ausdehnung der Schattenlinie ist RQ. Solche Schattenlinien sind grundsätzlich parallel zu den Seiten des Würfels und daher ist es nötig, nur einen Punkt auf der Schattenlinie festzulegen, um ihre Position zu bestimmen. Für Dxn (oder Dxp) braucht man nur die x-Koordinate der Schattenlinie auf der x-y-Ebene zu errechnen.

Im folgenden soll nun S bezeichnet werden durch S (Xs, Ys, Zs). Des weiteren sollen beliebige Punkte P in der Ebene SCD durch P (Xp, Yp, Zp) bezeichnet sein. soll gegeben sein durch (Xp-Xs, Yp-Ys, Zp-Zs). Unter der Annahme, daß =M ist folgt, daß die Linie, die S und P enthält gegeben ist durch

und der Einheitsvektor

gegeben ist mit U = (Us, Uy, Uz).

Unter der Annahme, daß

folgt, daß

Xi und Yi sind die Koordinaten der Schnittlinie der Linie SP mit der x-y-Ebene und definieren die Position der Schatten linie.

Wenn P z. B. als Kante C des Würfels angenommen wird, dann sind die Punkte Xi, Yi gleich dem Punkt R auf der Schatten linie.

3. Bereich 1

Wenn die Quelle S direkt über dem Zentrum des Würfels liegt (Xs=0, Ys=0), werden alle vier Fotodetektoren symmetrisch beleuchtet und es folgt

Der schlimmste Fehler, der aus Unterschieden in den Schatten entsteht kommt vor, wenn sich die Quelle direkt über einer Kante des Würfels befindet (z. B. an der Kante des Bereiches 1). Unter Bezugnahme auf Fig. 4 soll angenommen werden, daß S sich direkt über der Würfelkante AB befindet. Dxp wird dann vollständig beleuchtet werden, wohingegen die Kante von Dxn, die am nähesten zum Würfel ist, im Schatten liegen wird. Unter diesen Umständen kann man die Position der Schattenlinie berechnen, indem man die Gleichungen 1 und 2 verwendet mit

S = (w/2, w/2, R)

und dem Punkt

P = Punkt C = (-w/2, w/2, 0).

Es kann durch einfacher Trigonometrie unter Verwendung von (1) und (2) gezeigt werden, daß wenn die Breite des Fotode tektors Dxn gleich w ist, die Breite der Schattenlinie gleich wird zu

Der Teil der Breite, der durch den Schatten auf Dxn bedeckt ist, ist folglich:

Unter Verwendung der oben gegebenen beispielhaften Zahlen für R und w ergibt sich eine Teilbreite von 1/479. Dies ist innerhalb der Fehlergrenzen, die zu Beginn des Anhangs fest gelegt wurden.

Deshalb können in einer ersten Näherung innerhalb des Berei ches 1 beliebige Schattenunterschiede ignoriert werden, wenn man die Fotostrom-Verhältnisse der Fotodetektoren betrach tet.

4. Bereich 2

Es soll nun der Bereich 2 betrachtet werden. Wenn sich die Projektion von S innerhalb von 2a - nicht an seinen Kanten - befindet, treten vier Bereiche von direkter Beleuchtung auf (Dxp, Dxn, Dyp, Dyn), ein Bereich von reflektierter Beleuch tung (Dyp) und drei Schattenbereiche (Dxp, Dxn, Dyn) auf.

Dxp, Dxn Schatten

Auf Dxp und Dxn treten jeweils zwei Schattenlinien auf. Für Dxn, z. B., ist die erste Schattenlinie in Richtung L1 und ihre Ausdehnung, die auf Dxn fällt, ist gleich RQ′ (siehe Fig. 4). Die zweite Schattenlinie ist die Schnittlinie der Ebene, welche S und die senkrechte Würfelkante zur Kante C beinhaltet, mit der x-y-Ebene. Sie liegt in Richtung von L₀. Diese beiden Schattenlinien überschneiden sich auf Dxn bei R, wodurch man den Schattenbereich auf ihr herleiten kann. Dies ist als schattierter Bereich Co (direkt unterhalb von C), R, Q′, Do (direkt unterhalb von D) in Fig. 4 veranschau licht. Ein ähnlicher Schattenbereich entsteht auch auf Dxp.

Der größte Unterschied in dem Schattenbereich auf Dxp und Dxn entsteht, wenn die Quelle S sich an der Kante des Berei ches Sa befindet, z. B. bei Xs=w/2. In diesem Fall weist Dxp keinen Schatten auf und ist vollständig beleuchtet. Es kann unter Verwendung der numerischen Beispiele für R und P gezeigt werden, die an dem Anfang des Anhangs festgelegt wurden, daß bei dieser Position der Teilbereich von Dxn, der im Schatten liegt, 1/456 ist. Dies ist nicht signifikant und kann daher vernachlässigt werden.

Daher können in dem Bereich 2a Unterschiede in den Schatten auf Dxp, Dxn vernachlässigt werden. Infolgedessen ist

Dyn-Schatten

Die Position der Kante des Schattens auf Dyn kann aus der Projektion der Linie SA (von der Quelle S zur Würfelecke A) auf die x-y- Ebene errechnet werden.

A = (w/2, -w/2, w)

Die y-Koordinate des Schnittpunktes Yi ist unabhängig von Xs (siehe obige Gleichung (2)). In erster Näherung ist

Y² + Z² = R²

da X klein ist.

Infolgedessen ist

Der beleutete Bereich auf Dyn ist, als ein Teil des Gesamtbereichs w²

Dyp

Dyp empfängt die volle Direktbeleuchtung und eine Reflexion von seiner Spiegeloberfläche. Da die Projektion von S inner halb des schmalen Bereiches S2a liegt, und unter der Annahme von 100%iger Reflexion, sowie R»w, kann angenommen werden, daß Dyp das gesamte reflektierte Licht einfängt.

Innerhalb des Bereiches 2a ist die Quelle S unter einem Win kel zu den Detektoren und zu dem zu Dyp benachbarten Spiegel (wobei der Winkel R in der obigen Sektion 1 des Anhangs festgelegt wurde) angeordnet.

In erster Näherung kann, wieder mit R»w, der Winkel γ der Ebene Dyp (und Dyn) zu S als Zs/R angenommen werden. Der Winkel β für den Spiegel in der Nähe von Dyp ist Ys/R.

Wenn nun:

P(Dyp) = P (direkte Beleuchtung) + P (reflektierte Beleuchtung)

= I_LR^-2w² cos γ + I_LR^-2w² cos β

und

P(Dyn) = P (direkte Beleuchtung) (Teilbeleuchtung), wobei (Teilbeleuchtung) der Bezeichnung (3) von oben entspricht:

Teilt man (5) durch (4) und vernachlässigt man Ausdrücke in w, folgt:

Von der obigen Beschreibungsschilderung folgt, daß

Ys/Zs = tan Ra

und somit

ist.

Dieses Ergebnis stellt eine einwertige Funktion von Ra über Ry dar, die, in erster Näherung, als linear angenommen wer den kann.

5. Bereich 3

Wenn sich S in einer Position wie in Fig. 4 dargestellt befindet, dann empfangen Dxn und Dyn direkte Beleuchtung, befinden sich aber auch parziell im Schatten. Dyp und Dxp empfangen direkte Beleuchtung und Licht, das durch ihre jeweiligen benachbarten Würfelspiegel reflektiert wurde.

Detektoren Dxn

Der beleuchtete Bereich Axn besteht aus einem rechwinkligen Bereich und einem dreieckförmigen Bereich:

Ein ähnliches Ergebnis für Dyn ist:

Detektor Dxp

Der beleuchtete Bereich Axp besteht aus dem gesamten Bereich von Dxp, der eine direkte Beleuchtung plus einer von seinem benachbarten Spiegel reflektierten Beleuchtung empfängt. Die reflektierte Beleuchtung überlappt Dxp nur partiell.

Es kann gezeigt werden, daß der Anteil von Dxp, der eine reflektierte Beleuchtung empfängt, d. h.

sich ergibt zu:

Infolgedessen ist die von Dxp durch direkte Beleuchtung eingefangene Leistung gleich:

die Leistung, die durch den benachbarten Spiegel eingefangen wurde, gleich:

Die Menge an reflektierter Leistung, die auf Dxp reflektiert wird, ist folglich (10) multipliziert mit (8).

Daraus folgt, daß

P(Dxp) = (9) + (10) · (8)

was, in vereinfachter Form, zu

führt. Ein ähnliches Ergebnis erhält man für Dyp:

Es existieren sechs mögliche Leistungsverhältnisse der Leistungen der vier Fotodetektoren, aber wenn nur zwei ein zelne Informationsteile

benötigt werden, müssen nur zwei von den Verhältnissen betrachtet werden. Man betrachtet nun

als:

Vernachlässigt man die Terme in w, dann folgt

und nach Umformung

Nimmt man A=Xs/Zs und B=Ys/Zs an, dann folgt

Ähnliches gilt für

wobei K₅ und K₆ Konstanten sind. Aus (13) und (14) folgt

Der erlaubte Bereich der Wurzel innerhalb eines 45° Ein schlusses für das DOAS ist

O A, B < 1 (15)

Betrachtet werden sollen nun die Wurzeln, die Gleichung (15) erfüllen.

Für B:

Betrachtet man

4ac als positiv und (-b) als positiv und somit

Wenn aber (4ac) groß ist, ist K₅ groß und K₆ klein und somit |b|→3.

Wenn (4ac) klein ist, K₅ klein ist und K₆ groß ist folgt so mit |b|→1.

Es ist sinnvoll, die negative Wurzel zu verwenden, da

positiv ist und <1 erwünscht ist. Ein ähnliches Ergebnis bekommt man für A. Dadurch ergibt sich

B = [-(K₆-K₅-2)-((K₆-K₅-2)²-8K₅)^1/2]/2

A = [-(K₅-K₆-2)-((K₅-K₆-2)²-8K₆)^1/2]/2

aus der man die Formeln erhält, die in der obigen Patentbe schreibung angegeben sind.

Claims

1. Eine Helm-Richt-Vorrichtung mit
einer ersten Vielzahl von Lichtquellen,
einer zweiten Vielzahl von Einfallsrichtungssensoren, die jeweils einen Lichtstrahl von den Lichtquellen empfangen, wobei entweder die erste Vielzahl oder die zweite Vielzahl auf einem Helm befestigt ist, dessen Sichtlinie und, wahlweise dessen Ausrichtung wünschenswerterweise errechnet werden soll, und wobei die andere Vielzahl an festen Referenzpunkten befestigt ist, und
Vorrichtungen, die empfänglich für Signale sind, die durch die Einfallsrichtungssensoren empfangen wurden, um jeweils jedes der Signale mit spezifischen Lichtquellen in Verbindung zu setzten, um die Einfallsrichtung von jedem gegebenen Sensor zu jeder gegebenen Lichtquelle zu errechnen, und
um Sichtliniensignale und wahlweise Ausrichtungssignale bezüglich der festen Referenzpunkte für den Helm zu errechnen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Vielzahl am Helm befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin jeder Lichtquelle einen Lichtstrahl emittiert, der einzigartig aus den anderen Lichtquellen identifiziert werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, die ferner Vorrichtungen zum Modellieren der Lichtstrahlen aufweist, die durch die Lichtquelle emittiert werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die Verbindungsvorrichtungen Filter beinhalten, um zwischen modellierten Signalen von den Einfallsrichtungssensoren zu unterscheiden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die wenigstens drei Lichtquellen und wenigstens zwei optische Sensoren aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Lichtquelle aus lichtemittierenden Dioden bestehen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin jeder Einfallsrichtungssensor einen Sensor vom Spiegelwürfel-Typ beinhaltet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin jeder Sensor eine ebene Grundfläche und einen von sich ihr forterstreckenden, dreidimensionalen Körper aufweist, wobei der dreidimensionale Körper aus wenigstens vier ebenen aneinandergrenzenden reflektierenden Oberflächen gebildet ist, die so angeordnet sind, daß die aneinanderliegenden Linien von benachbarten Oberflächen parallel zueinander und senkrecht zu der Grundfläche stehen, wobei wenigstens vier optische Sensoren auf der Oberfläche der Grundfläche angeordnet sind, jeweils einer für jede reflektierende Oberfläche, und wobei sich jeder Sensor nach außen hin auf der Grundflächenoberfläche von der Kante wegerstreckt, an der die reflektierende Oberfläche die Grundflächenoberfläche berührt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin der dreidimensionale Körper ein rechtwinkliger Spat ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin der Spat ein Würfel ist.