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Verfahren zur Ermittlung der relativen Lage eines bewegten Körpers
gegenüber einem festen oder bewegten Bezugspunkt Die Erfindung betrifft ein neuartiges
Verfahren zur Ermittlung der relativen Lage eines bewegten Körpers gegenüber einem
festen oder bewegten Bezugspunkt.
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Es sind Geräte bekannt, bei denen mit einem oder mehreren auf den
bewegten Körper gerichteten Beobachtungsfernrohren Vorrichtungen mechanisch verbunden
sind, die gemeinsam mit dem Fernrohr verstellt werden. Ein in diesen Vorrichtungen
enthaltenes Anzeigeglied erfährt dabei eine der wahren Bewegung des Körpers im Raum
proportionale Verstellung, die an Skalen abgelesen werden kann. Alle diese Geräte,
die in den verschiedensten Ausführungen bekanntgeworden sind, haben den gemeinsamen
Nachteil, daß sie keine Anzeige liefern, sobald das Ziel nicht beobachtet werden
kann.
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Man hat daher versucht, sich von der Zielbeobachtung dadurch möglichst
unabhängig zu machen, daß man Vorrichtungen konstruierte, die nur in Übereinstimmung
mit beobachteten oder geschätzten Werten eingestellt zu werden brauchen, dann aber
selbsttätig die jeweilige Lage des Zieles anzeigen.
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Eine Vorrichtung dieser Art besteht beispielsweise darin, daß ein
Reibrädchen an einer Reibscheibe so eingestellt wird, daß der Berührungspunkt von
Rad und Scheibe vom Mittelpunkt der Scheibe einen Abstand hat, der proportional
der Entfernungsänderung des Zieles in der Zeiteinheit ist. Ein mit dem Reibrad verbundener
Zeiger zeigt unmittelbar die Entfernung des Zieles an einer Skala an. Dieser Ausführung
liegt die Annahme zugrunde, daß die Entfernungsänderung in der Zeiteinheit konstant
ist. Die Annahme ist jedoch nur dann richtig, wenn, von der letzten Beobachtung
ab gerechnet, sich das Ziel geradlinig mit gleichbleibender Geschwindigkeit in Richtung
der Visierlinie bewegt. Sobald die Zielbewegung mit der jeweiligen Visierlinie einen
Winkel einschließt, liefert ein solches Gerät falsche Werte. Eine Ausnahme würde
lediglich in dem kaum anzunehmenden Fall eintreten, daß sich das Ziel auf einer
logarithmischen Spirale bewegt.
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Es gibt bereits Vorrichtungen, die diese Nachteile vermeiden. Ihre
Wirkungsweise besteht darin, die nach Größe und Richtung bekannten Geschwindigkeiten
von Ziel und Beobachtungsstand in die rechtwinkligen Komponenten in bezug auf den
Zielvektor zu zerlegen. 'Die so gewonnene Geschwindigkeitskomponente in Richtung
der Visierlinie dient zur Einstellung der Entfernung des Zieles, die senkrecht zur
Visierlinie liegende Komponente zur Einstellung des Seitenwinkels in bezug auf eine
feste Richtung (etwa der Nord-Süd-Richtung.) Dieselbe Aufgabe, aus den bekannten
Geschwindigkeiten von Ziel und Beobachtungsstand die relative Lage des Zieles zu
ermitteln, wird nach einem neueren Vorschlage dadurch gelöst, daß die Geschwindigkeiten
von Ziel und Beobachtungsort in Komponenten in bezug auf zwei im Raum feste Richtungen
zerlegt
werden. Durch algebraische Addition der so gewonnenen Komponenten
und Multiplikation mit der Zeit ergibt sich dann die gewünschte Lage des Zieles.
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Im folgenden sei der Teil der Vorrichtung, der nach erfolgter Einstellung
selbsttätig die Weiterbewegung des die relative Lage des Zielpunktes darstellenden
Gliedes bewirkt, kurz als Steuerer bezeichnet. Diese Bezeichnung wird auch in den
Ansprüchen beibehalten.
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Die Erfindung hat eine Verbesserung der angedeuteten Geräte und ihrer
Bedienungsweise zum Gegenstand. Die bekannten Vorrichtungen liefern zwar bei bekannter
Geschwindigkeit eine richtige Anzeige der Lage des Zielpunktes, jedoch bereitet
die Einstellung des Steuerers dieser Geräte bei nicht bekannter Geschwindigkeit
erhebliche Schwierigkeiten. Diese Einstellung kann bei den ersterwähnten Vorrichtungen
etwa in der Weise vorgenommen werden, daß man nacheinander die Änderung der Entfernung
in der Zeiteinheit, d. h. die Komponente der Geschwindigkeit in Richtung des Zielvektors,
und die Seitenauswanderung, d. h. die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zum Zielstrahl,
in dem Steuerer einreguliert, wobei als Kontrolle für die richtige Einstellung das
dauernde Zusammenfallen der von einem Beobachtungsapparat gemessenen Angaben mit
den Werten der selbsttätig arbeitenden Vorrichtung dient. Da jedoch die Entfernungsänderung
in der Zeiteinheit und die Änderung der Seitenrichtung in der Zeiteinheit Funktionen
der Zeit und des Ortes sind, so ergibt sich der Nachteil, daß durch Korrektur eines
der beiden Bestimmungsstücke stets das andere mit verstellt wird, so daß zum Einsteuern
des Gerätes ein Annäherungsverfahren notwendig ist, das unter Umständen sehr viel
Zeit erfordert.
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Ferner hat man bei einer bekannten Aufzeichenvorrichtung zur Ermittlung
des zu einem bestimmten Zeitpunkt gehörenden, wahrscheinlich richtigsten Wertes
aus einer Reihe von Entfernungswerten ein Lineal vorgesehen, das von einem Schlitten
getragen wird, der in der Bewegungsrichtung des Markierstiftes verschieblich angeordnet
ist und von Hand oder selbsttätig mit einer einstellbaren Geschwindigkeit verschiebbar
ist. Diesem Lineal wird bei Ausbleiben der Entfernungsangaben eine Parallelverschiebung,
z. B. durch Motorantrieb, erteilt. Handelt es sich um einen unveränderlichen Wert
der Entfernungsänderung in der Zeiteinheit, so wird das Lineal unter der Voraussetzung,
daß die Geschwindigkeit der Verschiebung des Schlittens entsprechend dieser Entfernungsänderung
in der Zeiteinheit eingestellt ist, auch dann fortlaufend richtig so eingestellt,
daß die Lage seiner Drehachse der jeweiligen idealen Entfernung entspricht, wenn
der Vorrichtung während einiger Zeit keine Entfernungswerte zugeführt werden. Da
aber bei Bewegungsvorgängen zwischen Ziel und Stand der Entfernungsmesser in den
allermeisten Fällen die Entfernungsänderung in der Zeiteinheit verschieden ist,
würde die Verstellung des Lineals fehlerhaft werden. Aus diesem Grunde hat man mit
dem Lineal eine weitere Schreibvorrichtung zum Aufzeichnen der Entfernungsänderungen
in der Zeiteinheit selbst vorgesehen und zweckmäßigerweise bei dieser Schreibvorrichtung
die Möglichkeit geschaffen, die aufgezeichnete Kurve der Funktionen der Entfernungsänderungen
von Hand entsprechend ihrem an sich bekannten Verlauf zu ergänzen.
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Das zur Ausführung des Erfindungsgedankens notwendige Gerät enthält,
wie die soeben beschriebenen, ebenfalls einen Steuerer und ein einstellbares Glied,
das von dem Steuerer selbsttätig bewegt wird und die Lage des bewegten Körpers angibt.
Durch eine geeignete Anordnung dieser Teile zueinander wird es jedoch möglich, die
Einstellung des Steuerers vermittels eines neuartigen Verfahrens zu bewirken. Dieses
besteht erfindungsgemäß darin, daß das Einstellglied absatzweise in bestimmten einstellbaren
Zeitabschnitten in Übereinstimmung mit der nach Entfernung und Richtung ermittelten
oder geschätzten Bahn des bewegten Körpers bzw. mit einzelnen Punkten dieser Bahn
gebracht wird, wodurch die selbsttätige Einstellung des . Steuerers eingeleitet
wird, der alsdann selbsttätig eine der jeweiligen - d. h. im Zeitpunkt der letzten
Nachstellung des Einstellgliedes vorhandenen - Körperbewegung entsprechende Weiterbewegung
des Einstellgliedes bewirkt.
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Soll beispielsweise von einem Schiff aus die Bewegung eines zweiten
Schiffes verfolgt werden, ohne daß Angaben über die relative Geschwindigkeit des
Zieles vorliegen, so wird das Einstellglied auf die von einem Entfernungs- und Richtungsmesser
gewonnenen Werte eingestellt. Nach Verlauf einer bestimmten Zeit wird eine zweite
Messung der Entfernung und Richtung vorgenommen und das Einstellglied wieder in
Übereinstimmung mit diesen Werten gebracht. Dadurch wird gleichzeitig der Steuerer
verstellt, der nun von sich aus die selbsttätige Weiterbewegung des Einstellgliedes
veranlaßt. Wenn nun der bewegte Körper seine Geschwindigkeit nach Größe oder Richtung
ändert, so werden nach kurzer Zeit die vom Einstellglied angezeigten Werte von den
beobachteten abweichen. Indem man die Angaben der Vorrichtung wieder mit den beobachteten
in Übereinstimmung bringt, wird die Einstellung des Steuerers korrigiert, so daß
er stets den jeweiligen Geschwindigkeitsvektor des Zieles bzw. dessen Komponenten
anzeigt. Dies könnte etwa in der Weise erfolgen, daß das Einstellglied
beispielsweise
nach io, 2o oder 30 Sekunden mit der beobachteten Bahn in Übereinstimmung
gebracht wird, oder auch dadurch, daß die Einsteuerung des Steuerers nach der Einstellung
des Einstellgliedes in Abständen von io zu io Sekunden oder mehr vorgenommen wird.
Auf diese Weise wird es möglich, den Quotienten, der sich aus der zur Herstellung
der Übereinstimmung mit der beobachteten Bahn des Zieles vorgenommenen Verstellung
des Einstellgliedes und der Zeitperiode ergibt, in einfacher Weise durch eine Zahnradübersetzung
zu bilden. Die Wahl der Periode hängt im wesentlichen von der Geschwindigkeit des
beobachteten Körpers ab,- so wird beispielsweise bei schnell bewegten Flugzeugen
eine Einsteuerung in kurzen Zeitabschnitten vorteilhaft sein, bei langsam bewegten
Zielen eine Einsteuerung in größeren Zeitabschnitten.
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Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient ein Gerät, das
in drei verschiedenen Ausführungen in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist.
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Abb. i zeigt die geometrische Grundlage für diese Vorrichtung.
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In Abb. 2 ist eine beispielsweise Ausführung unter Verwendung rechtwinkliger
Koordinatensysteme veranschaulicht.
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Die Abb. 3 bis 5 zeigen zwei Ausführungen zur selbsttätigen, Einstellung
des Steuerers.
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Es sei angenommen, ein bewegter Körper, etwa ein Schiff, bewege sich
auf der in Abb. i dargestellten Bahn A, der Beobachter befinde sich in P. Beim Beginn
der Beobachtung befinde sich das Ziel im Punkte i. Die diesem Punkt zugeordneten
Werte von Entfernung El und Richtung R1, die an einem Entfernungs-und Richtungsmesser,
unmittelbar ablesbar sind, werden nun an einer Skala des Gerätes eingestellt. Nach
Verlauf einer bestimmten Zeit, etwa 2o Sekunden, hat sich das Schiff vom Punkt i
zum Punkt 2 bewegt. Die neuen Werte von Entfernung und Richtung, die mit EZ und
R2 bezeichnet werden mögen, werden an dem Gerät von neuem eingestellt, und zwar
durch Drehen zweier besonderer Einstellkurbeln, die gleichzeitig auf den Steuerer
mit bestimmter Übersetzung einwirken. Dadurch wird einmal das Einstellglied wieder
in Übereinstimmung mit den beobachteten Werten gebracht, andererseits wird der Steuerermechanismus
so verstellt, daß nunmehr das Einstellglied selbsttätig mit der der Strecke i-2
entsprechenden Geschwindigkeit weiterbewegt wird. Infolgedessen zeigt das Gerät
nach Verlauf weiterer 2o Sekunden als Ort des Zieles den Punkt 3' an. Dieser weicht
etwas von dem wahren Ort des Zieles, dem Punkte 3, ab, sofern das Ziel sich nicht
gleichförmig und geradlinig weiterbewegt hat. Diese kleine Differenz wird korrigiert,
so daß das Gerät wieder die Lage des Punktes 3 anzeigt. Hierdurch ist gleichzeitig
der Steuerer korrigiert, so daß das Gerät nach weiteren 2o Sekunden die Koordinaten
des Punktes 4' anzeigt, die wiederum korrigiert werden. Die vom Gerät dargestellte
Bahn des Zieles wird also durch eine Zickzacklinie I-2-3'-3-4'-4 usf. dargestellt,
die sich der wahren Bahn des Zieles um so mehr anschmiegt, je weniger Krümmungen
diese aufweist und je kleiner die Beobachtungsperiode gewählt wird.
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Eine Vorrichtung, die in der geschilderten Weise arbeitet, zeigt Abb.
2. Der Steuerer ist dabei so ausgebildet, daß in ihm die Komponenten der Geschwindigkeit
in, bezug auf zwei im Raum feste Richtungen zur Darstellung kommen. In ähnlicher
Weise ließe sich der Steuerer so ausbilden, daß in ihm die polaren Komponenten der
Geschwindigkeit eingetragen werden.
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Das Einstellglied I besteht in Abb. 2 aus einem Koordinatenwandler,
der im folgenden kurz als KW bezeichnet werden möge. Dieser enthält zwei rechtwinklig
zueinander stehende Schienen 'i und 2, die durch zwei Spindeln 3 und 4 parallel
zu sich selbst verstellt werden können. Oberhalb der Schienen ist eine Scheibe 5
um eine Achse 6, die den Beobachtungsort darstellt, drehbar gelagert, auf der zwei
Führungsschienen 7 befestigt sind, in denen ein Schlitten 8 verstellt werden kann.
Dieser trägt einen Stift 9, der in die Schlitze der Schienen i und 2 eingreift und
die Lage des Zieles darstellt. Die an dem Schlitten 8 angeordnete Zahnstange io
steht mit dem Zahnrad ii in Eingriff. Ändert sich der Abstand des Stiftes 9 von
der Achse 6, d. h. also die Entfernung des Zielpunktes vom Beobachtungspunkt, so
wird durch das Zahnrad ii diese geradlinige Verschiebung in eine Drehbewegung umgesetzt,
die auf eine Anzeigescheibe ia übertragen wird. Die Übertragungsorgane sind in der
Zeichnung der Deutlichkeit halber fortgelassen. Ebenso kann die Neigung der Schienen
7 gegenüber den Schienen i oder 2 auf eine Anzeigescheibe übertragen werden, die
etwa ähnlich ausgebildet sein kann wie die Scheibe i2, jedoch mit einer anderen
Skala versehen ist, und die in Abb. 2 ebenfalls nicht dargestellt ist. Koaxial zur
Scheibe 12 liegt eine zweite Scheibe 13, die an ihrer Außenseite verzahnt ist und
von der Welle 14 unter Vermittlung der Schnecke 15 verstellt werden kann. Auf dieser
Scheibe werden die vom Entfernungs-oder Richtungsmesser gewonnenen Werte, sei es
von Hand, sei es durch ein elektrisches Fernzeigersystem, eingestellt.
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Mit der Spindel 3 ist ein Zahnrad 16 verbunden, das mit dem Rad 17
des Differentialgetriebes Dl in Eingriff steht. Die Räder 18 dieses Differentialgetriebes
sind über Welle i9 und Zahnräder 2o, 2z mit den Rädern 22 eines
Differentialgetriebes
D, verbunden, dessen Rad 23 über das Rad 24 mit einer Welle 25 in Verbindung steht
und dessen Rad 26 mit Hilfe einer Handkurbel 27 unmittelbar verstellt werden kann.
Auf dem einen Ende der Welle 25 ist ein Handrad 28 befestigt und auf dem anderen
Ende eine Schnecke 29, die mit einem mit dem Rad 3o des Differentialgetriebes D3
verbundenen Schneckenrad 29' in Eingriff steht. Die Welle a5 trägt ferner ein Zahnrad
31, das mit den Rädern 32 und 33 in Eingriff steht, welch letzteres der feststehende
Teil einer Kupplung ist. Das zu kuppelnde Glied 34 ist auf der Welle 35 axial verschiebbar.
Diese trägt auf der einen Seite ein mit Zahnrad 36 in Eingriff stehendes Rad 37,
auf der anderen Seite eine Schnecke 38, die mit einem Schnekkenrad 38' in Eingriff
steht, welches auf der mit den Rädern 4o des Differentialgetriebes D3 verbundenen
Achse 39 befestigt ist. Das Rad 41 des Differentialgetriebes D3 trägt ein Zahnrad
42, das in eine Zahnstange 43 eingreift, mit der ein Anschlag 44 verbunden ist.
Dieser Anschlag ist so angeordnet, daß er die Bewegung der Zahnstangen 45, 46 auf
der Achse 47 entsprechend seiner Einstellung begrenzt. Mit den Zahnstangen 45, 46
stehen zwei Zahnräder 48, 49 in Eingriff, deren Bewegung auf die Schnecken 5o, 51
unter Zwischenschaltung zweier Sperrglieder 52, 53 übertragen wird. Diese haben
den Zweck, nur die Drehbewegung in einer Richtung auf die Schnecken 5o, 51 zu übertragen.
Die zugehörigen Schneckenräder 5o' und 51' sind mit den Rädern 54, 55 des Differentialgetriebes
D4 verbunden, dessen Räder 56 mit dem Rad 57 des Differentialgetriebes Dl in Verbindung
stehen. Die mit den Zahlen 42 bis 56 bezeichneten Teile stellen ein Multiplikationsgetriebe
dar.
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Der Antrieb dieses Getriebes erfolgt durch die mit den Zahnstangen
45, 46 verbundenen Hebel 58, 59, die durch einen Lenker 6o miteinander verbunden
sind. Der Hebel 58 trägt einen an dem ortsfesten Punkt 61 befestigten Lenker
62; der Arm 59 ist über Lenker 63 mit einem Glied 64 verbunden, das über Stange
65 von der Exzenterscheibe 66 in schwingende Bewegung versetzt wird. Diese wird
von dem Motor 67 über Zahnräder 68, 69 unter Zwischenschaltung einer Regelungseinrichtung
70 angetrieben. Sie besteht aus einer Kupplung, deren Kupplungsteile 69 und
71 durch eine Feder 72 miteinander verbunden sind und in deren Kupplungsteil 71
eine Sperrklinke eingreift, die von einem Elektromagneten 73 entriegelt werden kann.
Der Elektromagnet 73 wird an eine Gleichstromquelle 74 nach Betätigung des Schalters
75 über ein Zeitkontaktwerk 76 in bestimmten Zeitabschnitten angeschlossen. Das
Übersetzungsverhältnis der Zahnräder 68, 69 ist so gewählt, daß die Exzenter-Scheibe
66 in bestimmten Zeitabständen, beispielsweise in i Sekunde, eine Umdrehung ausführt.
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Auf der Achse 77 ist eine Schnecke 78 befestigt, die mit Hilfe eines
Schneckenrades ihre Bewegung auf die Achse 79 und weiter über Zahnräder 8o, 81 auf
die Achse 8a überträgt, auf der einerseits eine Scheibe 83 und andererseits ein
Kegelrad 84 befestigt sind. Ein Kupplungsteil 85 gestattet, das Zahnrad 81 mit dem
Kegelrad 84 zu kuppeln. Die Kupplung erfolgt durch einen Hebel 86, der mit
seinem unteren Arm auf der auf der Achse 87 befestigten Kurvenscheibe 88 aufliegt.
Auf der Achse 87 sind ferner eine Scheibe 89 mit einem Verstellhebel go befestigt
und eine zweite Kurvenscheibe 9i, auf der eine Rolle 92 läuft, die an der Stange
93 befestigt ist. Ein Kniehebel 94 verbindet die Stange 93 mit einer Stange 95,
an der ein Hebel 96 angelenkt ist, der in den Kupplungsteil 34 eingreift. Ein um
Welle 97 drehbares Handrad 98 trägt ein Kegelrad 99, das mit einem an dem Zahnrad
36 befestigten Kegelrad ioo in Eingriff gebracht werden kann. In ein e ringförmige
Nut ioi der Büchse des Handrades 98 greift ein Arm io2 eines um den Punkt 103 drehbaren
Hebels, dessen Arm 104 mit dem einarmigen Hebel io5 verbunden ist, der ebenfalls
in den Kupplungsteil 34 eingreift.
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Die bisher beschriebenen Teile bewirken lediglich eine Verstellung
der Schiene i des KW I, die der x-Koordinate eines rechtwinkligen Koordinatensystems
entspricht. Mit der Spindel 4 ist ebenfalls eine Vorrichtung verbunden zu denken,
die die Teile 16 bis 63 umfaßt, die aber der Einfachheit halber in Abb. 2 nicht
noch einmal dargestellt ist. In der Zeichnung könnte sie beispielsweise durch Spiegelung
an einer durch die Achse 6 und senkrecht zur Spindel 3 liegenden Ebene gewonnen
werden, wobei der Antrieb des Multiplikationsgetriebes 42-56 von einer an dem Glied
64 befestigten Stange her erfolgt und die Einstellung der Kupplung 33, 34 von der
Verlängerung der Stange 95. Dieser Teil der Vorrichtung bewirkt dann die Einstellung
der y-Komponente des KW.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, daß die relative
Lage eines Schiffes in bezug auf ein . zweites mit Hilfe der Vorrichtung ermittelt
werden soll, wobei zunächst keine brauchbaren Angaben über die relative Geschwindigkeit
des Zieles vorliegen. Es werden daher zunächst die Steuereranschläge 44 des Multiplikationsgetriebes
von Hand auf Null eingestellt. Dies erfolgt dadurch, daß die Kegelräder 99, ioo
in Eingriff gebracht werden, wodurch die Kupplung 33, 34 gelöst wird. Eine an dem
Handrad 98 vorgenommene Verstellung bewirkt dann über Zahnräder 36,
37,
Welle 35, Schnecke 38, Achse 39, GetriebeD3 eine Drehung des Zahnrades 42 und damit
die gewünschte Einstellung der Anschläge 44, deren Stellung an einer Skala abgelesen
werden kann. Die von einem Entfernungs- und Richtungsmesser gewonnenen Werte werden
darauf von der Welle 14 her auf die Anzeigescheibe 13 übertragen und an einem Index
eingestellt. Darauf wird der Hauptschalter 75 eingelegt und die Zeitmarke 89, 9o
auf diejenige Zeitperiode eingestellt, die der Beobachtung zugrunde gelegt werden
soll. Bei der Ausführung in Abb. 2 besteht die Möglichkeit, zwei verschiedene Zeiten
einzustellen, etwa io und 30 Sekunden. Wenn von dem Entfernungs- und Richtungsmesser
nach Verlauf von io Sekunden neue Beobachtungswerte einlaufen, so wird der Einstellhebel
go auf die Zehnsekundenmarke eingestellt. Dadurch wird über Kurvenscheibe 9i, Rolle
92, Stange 93, Hebel 94, Stange 95 und Hebel 96 der Kupplungsteil 34 in das
Zahnrad 33 eingeklinkt. Ferner werden an den entsprechenden Handrädern 27 (von denen
in Abb. 2 nur eins dargestellt ist) die Schienen i und 2 des KW I so lange verschoben,
bis die Anzeigescheiben 12 dieselbe Entfernung und Richtung anzeigen, die vorher
von dem Richtungs- und Entfernungsmesser angegeben worden sind. Es werden also zunächst
die rechtwinkligen Zielkoordinaten eingestellt, wodurch erst mittelbar im
KW die Polarkoordinaten des Zieles gebildet werden. Hieraus ergibt sich,
daß zu einer Änderung der Entfernung und Richtung allein beide Kurbeln 27 zu bedienen
sind in einem Verhältnis und in einem Drehsinn, der von der Seitenrichtung abhängt.
Die Bewegung des Handrades 27 wird über die Räder z6 und 22 des Differentialgetriebes
D2 auf die Zahnräder 21 und 2o übertragen, von hier über Welle i9, Differentialräder
18, 17 des Getriebes Di, Zahnrad 16 zur Spindel 3, auf der die Schiene i parallel
zu sich selbst verschoben wird. In entsprechender Weise erfolgt die Verstellung
der Schiene 2 mittels Spindel 4. Nach Verlauf von io Sekunden erfolgt eine neue
Angabe der Richtung und Entfernung vom Meßgerät her, die an den Skalen 13 eingestellt
werden. Darauf wird durch Drehen der Kurbeln 28 die Anzeigescheibe 12 wieder in
Übereinstimmung mit der Scheibe 13 gebracht. Hierbei wird über Ritzel24, Differentialgetriebe
Dz und Dl und Zahnrad 17 die Spindel 3 gedreht, andererseits wird die Bewegung der
Welle 25 über Schnecke 29 auf das Rad 30 des Differentialgetriebes D3 übertragen,
ferner über Zahnräder 31, 32, 33 die Welle 35 in Drehung versetzt, die über Schnecke
38 eine Verstellung der Räder 4o des Getriebes D3 zur Folge hat. Die daraus resultierende
Bewegung des Rades 41 des Getriebes D3 wird über Zahnrad 42 auf die Zahnstange 43
übertragen, wodurch die Anschläge 44 entsprechend der Geschwindigkeitskomponente
des Zieles in der Richtung der x-Achse verstellt wird. Derselbe Bewegungsvorgang
findet für die Komponente in Richtung der y-Achse statt.
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Der über Schalter 75 an die Batterie 74 angeschlossene Motor 67 bewirkt
eine Drehung der Exzenterscheibe 66. Durch diese Drehungen bewegen über Stange 65,
Glied 64, Lenker 63 die Hebel 58, 59 die Zahnstangen 45, 46 periodisch gegen den
Anschlag 44. Diese periodische Bewegung der Zahnstangen wird in das Differentialgetriebe
D4 geleitet in der Weise, daß an den Rädern 56 dieses Getriebes die Differenz der
von den Zahnstangen 45, 46 zurückgelegten Wege erhalten wird. Solange also der Anschlag
44 in der Mitte zwischen den Stangen 45, 46 liegt, bleiben die Räder 56 des Getriebes
D4 in Ruhe. Durch die oben beschriebene Verstellung des Anschlages 44 werden jedoch
die von den Zahnstangen 45, 46 zurückgelegten Wege ungleich. Die Räder 56 des Getriebes
D4 führen daher in jeder Sekunde eine bestimmte Bewegung aus, die über das Getriebe
D1 und das Zahnrad 16 auf die Spindel 3 übertragen wird. Hierdurch wird die Schiene
i in jeder Sekunde um einen Betrag verstellt, der der mit der Zeit multiplizierten
Geschwindigkeitskomponente des Zielpunktes entspricht. Durch die entsprechende Verstellung
der Schiene z über Spindel 4 werden damit die Anzeigescheiben 12 für Richtung und
Entfernung selbsttätig verstellt. Sind nun nach Verlauf weiterer io Sekunden die
Scheiben 13 auf Grund neuer Beobachtungswerte weiterbewegt worden und befinden sich
dann die Scheiben 12 und 13 nicht mehr in Koinzidenz, so wird die Übereinstimmung
durch Drehen der Kurbeln 28 wiederhergestellt. Dadurch wird gleichzeitig der Anschlag
44 in der vorbeschriebenen Weise verstellt, so daß nunmehr die Geschwindigkeitskomponente
in Richtung der Koordinatenachsen entsprechend der Bewegung des Zieles (etwa vom
Punkt 2 zum Punkt 3 in Abb. i) eingestellt ist. Führt das Ziel eine geradlinige
Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit aus, so wird im allgemeinen der Anschlag
44 bereits nach wenigen Einstellungen in eine solche Lage gebracht sein, daß durch
ihn die Anzeigescheibe 12 in Übereinstimmung mit den beobachteten Werten selbsttätig
verstellt wird. Wird nun das Ziel unsichtbar oder kann aus anderen Gründen der Beobachter
dem Ziel nicht folgen, so bewegen sich die Kreuzschlitten während der Dauer dieser
Zeit entsprechend der zuletzt eingestellten Zielgeschwindigkeit fort. Wird das Ziel
wieder sichtbar, so kann der KW in der vorbeschriebenen Weise wieder von neuem mit
den beobachteten Werten in Übereinstimmung gebracht werden, wodurch die Steuereranschläge
qq.
in eine entsprechende Stellung gelangen.
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Die Stellungen dieser Anschläge entsprechen, wie vorher ausgeführt,
den Geschwindigkeitskomponenten in zwei zueinander senkrechten Richtungen. Diese
Komponenten stellen sich dar als ein Ouotient, dessen Zähler die Wegkomponenten
des KN,' sind, etwa in Abb. i die Strecken 1-2" bzw. 2-2", und dessen Nenner die
Dauer der Zeitperiode ist, die in unserem Beispiel zu io Sekunden angenommen wurde.
Will man eine Periode von 30 Sekunden der Beobachtung zugrunde legen, so
hat man den Zeithebel go in Abb. 2 auf die Dreißigsekundenmarke umzulegen. Dadurch
wird über das Gestänge 93 bis 96 die Kupplung 33, 34. gelöst und die
Drehung der Welle 25 unmittelbar in das Differentialgetriebe D3 eingeleitet. Durch
geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses werden auf diese Weise die Anschläge
44 immer entsprechend den Geschwindigkeitskomponenten verstellt.
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Zur Ausführung des Verfahrens der Erfindung ist es notwendig, die
Einstellung des Steuerers genau nach Ablauf der vorgegebenen Zeitperiode vorzunehmen.
Zu diesem Zweck wird die Scheibe 83 mit einer Marke versehen, die in einem Fenster
der Scheibe 89 erscheint. Bei jedem Erscheinen der Zeitmarke im Fenster hat
die Einstellung des Steuerers durch die Kurbel28 zu erfolgen.
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Soll das in den Abbildungen beschriebene Gerät beispielsweise für
die Einstellung von Geschützen Verwendung finden, so wird sich im allgemeinen das
Gerät an einer vom Geschütz entfernten Stelle befinden. Um die Anzeige für das Richten
der Geschütze brauchbar zu machen, sind daher zu den rechtwinkligen, vom
KW gelieferten Koordinaten die entsprechenden rechtwinkligen Koordinaten
der Batterie in bezug auf den Beobachtungsstand zu subtrahieren. Dies könnte etwa
in der Weise erfolgen, daß bei jeder Batterie ein weiterer Koordinatenwandler aufgestellt
wird, dessen Schienen mit den Kreuzschienen des Koordinatenwandlers .'des Gerätes
elektrisch verbunden sind. Die- Stellung dieser bei den Batterien aufgestellten
Koordinatenwandler unterscheidet sich in jedem Augenblick von denen des Geräte-KW
I um die Batteriekoordinaten (a, b in Abb. i).
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Bewegt sich nun das Ziel geradlinig und mit konstanter Geschwindigkeit,
so würde der Steuerer schon bei der ersten Einstellung, d. h. nach Ablauf der ersten
Periode, richtig eingestellt sein, wenn die Einstellung der genannten Organe genau
am Ende der Periode unendlich schnell erfolgen würde. Diese Voraussetzung ist jedoch
praktisch unerfüllbar. Es soll daher im folgenden ermittelt werden, wie viele Einstellun@en
bei vorgegebener Zeit der Einsteuerung notwendig sind, bis der Steuerer in seine
richtige Lage gebracht ist.
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Der Betrachtung sei die Bewegung der Schiene i allein zugrunde gelegt,
für die andere Schiene gelten die gleichen Erwägungen. In einem bestimmten Zeitmoment,
etwa zur Zeit t = o, seien die beiden Scheiben ia und 13 in genauer Übereinstimmung.
Die Schiene i zeige in diesem Augenblick den Wert x, an. Die Geschwindigkeitskomponente
des Zieles in der X-Richtung sei konstant und gleich uo. Nach Ablauf der Periode
T muß sich dann die Schiene i in der Stellung x, -;- üoT befinden, und der Steuerer
muß der Lage üo entsprechen.
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Es sei angenommen, daß schon vor Ablauf der Periode T, nämlich zur
Zeit t1, mit dem Einsteuern begonnen werde und daß zur Zeit T wieder Koinzidenz
der Scheiben 12, 13 bestehe, die Schiene i also die Stellung x, -f- uQT besitze.
Der Steuerer hat nun durch die Betätigung der Kurbel 28 die Stellung isl
erhalten. Dies entspricht einer Verschiebung uiT der Schiene i des KW, die durch
Betätigung der Kurbel 28 bewirkt wird. Andererseits hat aber in der Zeit
von 1l bis T der Steuerer gearbeitet und den Schlitten um einen Betrag vorwärts
bewegt, der von dem zeitlichen Gesetz der Einstellbewegung abhängt. Es besteht demnach
die Gleichung für die X-Verschiebung während T
Hierin bedeutet ii die jeweilige Steuererverstellung, von der nur bekannt ist, daß
sie zur Zeit t1 Null ist, zur Zeit T gleich %. Es sei nun die einfachste und nächstliegende
Annahme gemacht, daß die Verschiebung der Einstellorgane mit gleichförmiger Geschwindigkeit
erfolgt; dann kann das obige Integral ersetzt werden durch
Es sei
dann ergibt sich für die Stellung der Steuereranschläge der Wert
Während der zweiten Periode möge dasselbe stattfinden, d. h. nach der Zeit t, wieder
mit gleichmäßigem Einsteuern bis zur Koinzidenz der Scheiben 12, 13 zum Schluß der
zweiten
Periode vorgegangen werden. Dann ist der Steuerer eingestellt
auf
Für die Steuererverstellung am Schluß der n-ten Periode unter Voraussetzung fortgesetzt
gleicher Bedienung des Gerätes ergibt sich
wobei
Da andererseits
so ist
d. h. der prozentuale Fehler der Steuerereinstellung hat am Ende der ersten Periode
den Betrag ioo h, nach der zweiten Periode den Betrag ioo h2 usf.
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Es sei beispielsweise angenommen, ein geübter Mann brauche zum Einsteuern
2 Sekunden und das Gerät sei auf eine Periode von io Sekunden eingestellt, dann
ist h = o,2. Nach der ersten Periode würde der Steuerer auf einer um 9% zu geringen
Geschwindigkeit stehen, nach der zweiten Periode, also nach 2o Sekunden, weicht
die Stellung des Steuerers von der wahren um o,8 °/a ab, nach 30 Sekunden
ist er praktisch richtig eingestellt.
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Beträgt die Einsteuerperiode 2o Sekunden, so ist unter gleicher Voraussetzung
k = o,i. Nach der ersten Periode steht der Steuerer um 4,804 falsch, nach der zweiten,
also nach 40 Sekunden, praktisch richtig.
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Hieraus ergibt sich der Vorteil der Unterteilung in kleine Zeitabschnitte,
wobei allerdings berücksichtigt werden muß, daß innerhalb dieser Periode die Veränderung
der Meßwerte noch groß genug. sein muß, um eingesteuert werden zu können. Sind aber
diese Bedingungen bei einer Beobachtung in Abschnitten von io Sekunden' erfüllt,
so zeigt das Beispiel, daß der Fehler nach 2o Sekunden bei Wahl der Periode von
io Sekunden nur o,8 °/o, bei einer Periode von 2o Sekunden jedoch 4,8 "/a, also
das Sechsfache beträgt. Würde man, um in das Extreme zu gehen, T = 2 Sekunden wählen,
was natürlich nur bei schnell bewegten Zielen, wie Kampfflugzeugen, und vorzüglicher
Beobachtung einen Sinn hätte, so würde bei nunmehr kontinuierlicher Einsteuerung
und bei genauer Koinzidenz der Scheiben 12, 13 am Ende der Einstellzeit von 2 Sekunden
der Fehler nach io Sekunden nur 0,4 0/, betragen, also zu vernachlässigen sein.
Dieselbe Verbesserung in der Einsteuerung ergibt sich natürlich, wenn die Zeit für
die Einsteuerung, die in den Beispielen zu 2 Sekunden angesetzt wurde, herabgesetzt
wird.
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Die in den Abb. 3 bis 5 dargestellten Ausführungen gehen von dem Gesichtspunkt
aus, die Zeit für die Einsteuerung auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Bei der Ausführung
nach Abb.3 und q. erfolgt die Einsteuerung durch ein besonderes Antriebsorgan, etwa
durch einen Elektromotor, bei der Ausführung nach Abb. 5 erfolgt die Einsteuerung
durch Federkräfte.
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Die Bewegungen der Einstellkurbeln 28 werden wieder über Welle 25
und Ritzel 24 auf den KW übertragen. Die Anordnung könnte etwa so getroffen sein,
daß in Abb. 2 -die Welle 25 an der Stelle B-B aufgetrennt wird. Der links dieser
Trennstelle liegende Teil liegt in Abb. 3 bis 5 unterhalb der Welle 25 und ist mit
25' bezeichnet.
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In Abb. 3 trägt die Welle 25 eine weitere Schnecke io6, die mit einer
um die Achse 107 drehbaren Scheibe io8 in Eingriff steht. Koaxial zur Scheibe io8
liegt eine ebenfalls um die Achse 107 drehbare Scheibe iog, die mit der auf
der Welle 25' befestigten Schnecke iio in Eingriff steht. Die Scheibe io8 trägt
ein Kontaktglied iii, dem zwei auf der Scheibe iog befestigte Kontaktglieder iiz
gegenüberstehen. Die Welle 25' trägt außer dem Zahnrad 31 und der Schnecke -g eine
elektromagnetische -Kupplung 113. Diese besteht aus zwei um die Welle 25' lose drehbaren
Trommeln 114 und 115, von denen Trommel 114 durch das Zahnrad 116, Trommel 115 durch
die Zahnräder 117 und 118 von einem Motor her ständig angetrieben werden. Eine zwischen
den Trommeln 11q., 115 liegende, auf der Welle 25' befestigte Weicheisenscheibe
iig wird bei Erregung einer der Wicklungen i2o, 121 mit der einen oder der anderen
der Trommeln 11q., 115 gekuppelt. Durch die Zwischenschaltung des Zahnrades 118
wird erreicht, daß beide Trommeln eine Drehung im entgegengesetzten Sinn ausführen.
Die anderen Teile der Ausführung stimmen mit den in Abb. 2 dargestellten vollständig
überein.
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Die Erregung der Wicklungen i2o und 121 erfolgt nun selbsttätig durch
eine Zeitkontakteinrichtung. Zu diesem Zweck wird die von dem Motor 67 . angetriebene
Scheibe 83 (in Abb. 2) mit einer Reihe von Kontakten versehen. Die Ausführung ist
aus Abb. q. ersichtlich, in der in Übereinstimmung mit der Ausführung nach Abb.
2 angenommen ist, daß die Einsteuerung nach Verlauf von io Sekunden und
30 Sekunden erfolgen kann. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Motor 67 und
Scheibe 83 ist dabei so gewählt, daß diese in i Minute5eine ganze Umdrehung ausführt.
Für
die Erregung der elektromagnetischen Kupplung i13 nach Verlauf
von io Sekunden sind daher auf Scheibe 83 sechs um 6o' versetzte Kontakte 122 angeordnet.
Für die Erregung nach Verlauf von 30 Sekunden sind auf der Scheibe zwei um
i8o ° versetzte Kontakte 123 angeordnet. Die Scheibe 89 der Zeitmarke besitzt ebenfalls
zwei Kontaktglieder 124, 125,
die so radial versetzt sind, daß bei Einstellung
der Zeitmarke auf io Sekunden das Kontaktglied 125 mit den Kontakten 122 in Berührung
kommt, bei Einstellung auf die Dreißigsekundenmarke das Kontaktglied 124 mit den
Kontakten 123. Sämtliche Kontakte der Scheiben 83 sind mit einem Kontaktring 126
leitend verbunden, die Kontakte der Scheibe 89 mit dem Kontaktring 127. Der Ring
i26 steht über Leitung 128 mit dem einen Pol der Batterie 129 in Verbindung, der
Ring 127 über Leitung 130 mit den Kontaktgliedern 112. Eine Leitung 131 führt von
dem Anschlag i32 zu der Wicklung i2o der elektromagnetischen Kupplung 113, eine
Leitung 133 von dem Anschlag 134 zur Wicklung iai.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Wird die Kurbel
28 verstellt, so wird ihre Bewegung unmittelbar in den KW und damit auf die
Anzeigescheibe i2 (Abb. 2) übertragen. Gleichzeitig legt sich einer der Hebel 112
gegen den entsprechenden Anschlag 132 oder 134 (Abb. 4). Ferner muß die Zeitmarke
vermittels des Einstellhebels 9o auf die jeweilige Zeitperiode von Hand eingestellt
werden, beispielsweise auf io Sekunden. Kommt nun infolge der Drehung der Scheibe
83 einer der sechs Kontakte i22 mit dem Kontakt 125 in Berührung, so fließt vom
----Pol der Batterie 129 ein Strom über Leitung 128, Schleifring 126, Kontakte 122,
125, Schleifring 127, Leitung 130, Kontakte 112, Anschlag 132 oder 134, Leitung
131 oder 133, den Wicklungen i2o oder 121 zur Batterie zurück. Die betreffende Kupplungshälfte
schaltet also den Motor an die Welle 25' an und dreht diese in dem einen oder anderen
Sinne. Diese Drehung wird über Schnecke iio auf Scheibe iog übertragen, die so lange
der Scheibe io8 nachgedreht wird, bis der entsprechende Kontakt 112, 132 bzw. 134
geöffnet und dadurch die Kupplung ausgeschaltet wird. Gleichzeitig bewirkt diese
Drehung der Welle 25' über Differentialgetriebe D.. die Verstellung der Steuereranschläge
44.
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Die Breite der Kontaktstreifen 122 bis 125 ist so gewählt, daß über
diese Kontakte der Stromkreis im Maximum 2 Sekunden geschlossen bleiben kann. Ist
bereits vor Ablauf dieser Zeit die Scheibe iog der Scheibe io8 nachgestellt, so
wird der- Stromkreis über die an den Scheiben angeordnete Kontaktvorrichtung 11i,
112 geöffnet. Ist innerhalb dieser Zeit die Einstellung des Steuerers noch nicht
beendet, so wird der Stromkreis dennoch geöffnet, und die Weiterverstellung des
Steuerers erfolgt bei der nächsten Einsteuerung.
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Die in Abb: 3 und 4 dargestellte Ausführungsform hat gegenüber der
in Abb. 2 dargestellten noch den einen wesentlichen Vorteil, daß die Einstellung
des £L W in Übereinstimmung mit den Meßwerten in jeder beliebigen Zeit erfolgen
kann. Die Steuereranschläge 44 werden dann nicht von Hand eingestellt, sondern selbsttätig
durch ein Nachdrehorgan (Motor). Der Bedienende braucht daher nur auf die Übereinstimmung
der Scheiben i2 und 13 zu achten, während er bei der Ausführung nach Abb. 2 überdies
den genauen Zeitpunkt der Einsteuerung an der Zeitmaike 83, 89 beobachten muß.
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Die Zeit für die Einstellung des Steuerers kann noch weiter dadurch
verkürzt werden, daß man die Einstellung durch Federkräfte bewirkt. Die in Abb.
5 dargestellte Ausführung kann in derselben Weise wie die Ausführung nach Abb. 3
und 4 in eine Vorrichtung nach Abb. 2 eingebaut werden. Die Welle 25 trägt wiederum
eine Schnecke io6, die mit einer Scheibe 135 in Eingriff steht. Koaxial zu dieser
liegen zwei weitere Scheiben 136, 137, von denen die erstere lose drehbar,
die letztere über Kegelräder 138 mit der Welle 25' verbunden ist. Diese trägt wie
in Abb. 3 ein Zahnrad 31 und eine Schnecke 29, die mit dem Differentialgetriebe
D3 verbunden ist. Auf der anderen Seite trägt sie eine Sperrvorrichtung i381, deren
Sperrglied 139 durch einen Elektromagneten 140 vermittels eines Hebels 141 ausgeklinkt
werden kann. Die Scheibe 137 ist mit einer Nase 142 versehen, gegen die sich ein
auf der Scheibe 136 befestigter Anschlag 143 legen kann. Dieser kann sich
seinerseits wiederum gegen einen auf Scheibe 135 befestigten Anschlag 144 anlegen.
Die Scheiben 135, 136 sind durch eine Feder 145, die Scheiben 136, 137 durch eine
Feder 146 miteinander verbunden. Wird nun die Kurbel 28 verstellt, so wird
dadurch die Scheibe 135 in dem einen oder anderen Sinn gedreht, beispielsweise im
Sinne des Pfeiles in Abb. 5. Da sie mit der Scheibe 136
durch die Feder 145
verbunden ist, sucht sie diese Scheibe mitzudrehen. Dadurch wird der Anschlag i43
gegen die Nase i42 der Scheibe 137 gelegt, die durch das Gesperre i381, 139 festgehalten
wird. Die Wicklung des Elektromagneten 140 wird in ähnlicher Weise wie in Abb. 4
über die Kontaktglieder i22 bis 125 in einen Stromkreis gelegt, so daß das Gesperre
nach Verlauf bestimmter, an der Zeitmarke einstellbarer Zeiten entriegelt wird.
In diesem Augenblick werden die Scheiben 136, 137 durch die Kraft der Feder
145 gegen den Anschlag 144 gezogen. Diese Drehbewegung wird über Differentialgetriebe
D3 in den Steuerer
übergeleitet, Die Federkraft kann dabei so bemessen
werden, daß die Einsteuerung in Bruchteilen einer Sekunde erfolgt. In ähnlicher
Weise erfolgt die Einsteuerung, wenn die Scheibe 135 durch die Kurbel 28 entgegen
der Richtung des Pfeiles verstellt wird. In diesem Fall wird die Feder 146 gespannt,
die nach erfolgter Aufhebung der Sperrung die Nachstellung der Scheibe 137 gegenüber
der Verstellung der Scheiben 135, 136 bewirkt.
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Bei den in den Abbildungen dargestellten Ausführungen wird die Geschwindigkeit
des Zieles in die rechtwinkligen Komponenten zerlegt. Das erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich jedoch auch an solchen Geräten verwirklichen, bei denen statt der rechtwinkligen
Koordinaten Polarkoordinaten Verwendung finden. Da die Lage des bewegten Körpers
vorteilhaft durch die Polarkoordinaten angezeigt wird, so ist bei der in den Zeichnungen
beispielsweise dargestellten Vorrichtung eine Umwandlung der rechtwinkligen Koordinaten
in die polaren mit Hilfe des KW notwendig. Bei einer Ausführung, in der die
Geschwindigkeitskomponenten unmittelbar durch die Polarkoordinaten gegeben werden,
wird daher ein KW überflüssig.
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Das zur Ausführung des neuartigen Verfahrens beschriebene Gerät gestattet,
die relative Lage beliebig bewegter Körper zu bestimmen. Führt das Ziel eine räumliche
Bewegung aus, wie etwa Flugzeuge, so könnten zur Ermittlung der Lage beispielsweise
zwei Geräte verwendet werden, von denen das eine nur die auf eine Horizontalebene
projizierten Bewegungsvorgänge darstellt, das andere die Vorgänge in derjenigen
Ebene, in der der Zielvektor liegt und die auf der Horizontalen senkrecht steht.
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Zur Ausführung des neuartigen Verfahrens ist es nicht notwendig, daß
die Bahn des bewegten Körpers beobachtbar ist; sie kann vielmehr auch durch Rechnung
ermittelt werden oder auch nur geschätzt sein. Solche Fälle können beispielsweise
auftreten, wenn die Bahn des Zieles genau vorbekannt ist, der Bezugsort jedoch gewechselt
werden kann. Ferner kann mit Hilfe des neuen Verfahrens nicht nur die relative Lage
des Zielpunktes bestimmt werden, sondern auch dessen relative Geschwindigkeit oder
weitere für die Bewegung des Zieles charakteristische Größen.