DE60100781T2 - Zielsuchende Vorrichtung - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Anwendung betrifft eine Verfolgungsvorrichtung, die über einen steuerbaren Freiheitsgrad verfügt und mit drei Freiheitsgraden bewegt werden kann.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Verfolgungsvorrichtungen können in Bereichen wie Planetenerkundung, mobile Istwert-Fernerfassung, Verfolgung von beweglichen landgestützten Objekten wie Personen, Tiere und Automobile, Verfolgung von Flugobjekten, bei automatisch einsetzbaren Außenhautsensoren, bei Spielzeugen, bei Toneingabe-/Tonausgabegeräten, die einem Benutzer wie beispielsweise bei Schauspielern auf einer Bühne folgen, bei Mobiltelefonbenutzern, bei einem Computereingabegerät, das einem mobilen Benutzer folgt und bei intelligenten Bomben verwendet werden. Damit sich die Verfolgungsvorrichtung jedoch in einem dreidimensionalen Raum translatorisch bewegen kann, sind komplizierte Antriebs- und Steuersysteme erforderlich. Dies hat Verfolgungsvorrichtungen mit erhöhten Kosten und Abmessungen zur Folge.
  • Eukaryotische einzellige Mikroorganismen funktionieren als Verfolgungsvorrichtungen in einem Medium mit neutralem Auftrieb, sind jedoch lediglich in der Lage, einen Freiheitsgrad zu steuern. Die Mikroorganismen sind allerdings zur Bewegung in einem dreidimensionalen Raum fähig und bewegen sich zu empfundenen Reizen wie Nahrungsquellen und Licht hin und von diesen weg. Die Mikroorganismen steuern ihren einen Freiheitsgrad, um sich im Wesentlichen in einem spiralförmigen Muster vorwärts zu bewegen. Die Mikroorganismen verfolgen einen Reiz, indem sie die Geschwindigkeit ihrer Bewegung mit einem Freiheitsgrad über ein einfaches Rückmeldesystem modulieren. Während der Mikroorganismus sich dreht, fühlt er den Reiz sinusförmig. Durch Modulieren seiner Drehgeschwindigkeit in einer Weise, die direkt proportional zum gefühlten Reiz steht, bewegt sich der Mikroorganismus, je nach Modulationssinn, mittels Präzes sion, d. h. Bewegung einer Achse des Mikroorganismus auf Grund einer wirkenden äußeren Kraft, zum Reiz hin oder von diesem weg. Die Bewegung von einzelligen Mikroorganismen wird ausführlicher beschrieben in "Orientation by Helical Motion – 1. Kinematics of the Helical Motion of Organisms with up to Six Degrees of Freedom" von Hugh C. Crenshaw, veröffentlicht im Bulletin of Mathematical Biology, Vol. 55, Nr. 1, Seiten 197 – 212 (1993).
  • Propellergetriebene Flugspielzeuge und Vergnügungsgeräte sind beispielsweise aus den US-Patenten 4.271.629 und 3.603.033 bekannt. Mit dem US-Patent 5.533,920 für Goodwin wird ein propellergetriebenes Flugspielzeug offenbart, das über vordere und hintere Propeller, die über einen Gummibandmotor angetrieben werden, und über einen Sperr- und Freigabemechanismus verfügt, der zur Steuerung der Rotation der Propeller verwendet werden kann. Das US-Patent 3.603.033 für Mueller offenbart ein flugfähiges rotorgetriebenes Spielzeug, das über einen angetriebenen Propeller verfügt, der in einen Kanal eingebaut ist. Aus dem oberen Teil des Kanals stehen Tragrotorblätter hervor. Der Kanal und die Blätter rotieren aus Gründen des Drehmoments entgegengesetzt zu dem Propeller. Der Auftrieb der Blätter wirkt dadurch zusätzlich zu dem Auftrieb, der von dem Propeller für den vertikalen Antrieb geliefert wird.
  • Die oben besprochenen Flugspielzeuge enthalten komplizierte Getriebe und sind nicht in der Lage, ein Ziel zu verfolgen. Die Flugspielzeuge erfordern außerdem den Start und die Überwachung durch einen Bediener und können nur mit einem beschränkten Typ von Energieversorgung betrieben werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung liefert eine Verfolgungsvorrichtung, die mit drei translatorischen Freiheitsgraden unter Schwerkraft bewegt werden kann, indem Bewegung mit einem Freiheitsgrad ohne ausdrückliche Orientierung zu einem Ziel gesteuert wird.
  • Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungen der Verfolgungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung enthält die Verfolgungsvorrichtung einen Motor, gegenläufige obere und untere Propeller, die an dem Stator und Rotor des Motors zur Rotation in entgegengesetzte Richtungen angebracht sind. An den Propellern werden Zielsensoren bereitge stellt, und Signale von den Zielsensoren werden an eine Steuerung geliefert, die die Umdrehung des Motors und der Propeller steuert. Die Verfolgungsvorrichtung umfasst außerdem eine Stromversorgung für den Motor und die Steuerung.
  • In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von verschiedenen beispielhaften Ausführungen der Systeme und Verfahren gemäß dieser Erfindung werden diese und andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung beschrieben oder werden aus dieser offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Mit Bezug auf die folgenden Fig. werden verschiedene beispielhafte Ausführungen dieser Erfindung ausführlich beschrieben, wobei
  • 1 eine perspektivische Ansicht ist, die schematisch eine beispielhafte Ausführung einer Verfolgungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt;
  • 2 eine perspektivische Ansicht ist, die schematisch eine zweite beispielhafte Ausführung der Verfolgungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt;
  • 3 eine perspektivische Ansicht ist, die schematisch eine dritte beispielhafte Ausführung der Verfolgungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt; und
  • 4 ein Diagramm ist, das die Bewegung der beispielhaften Ausführungen der Verfolgungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten beispielhaften Ausführung einer Verfolgungsvorrichtung (100) gemäß der Erfindung. Ein Motor (110) hat einen oberen Propeller (120), der mit einem Stator des Motors (110) verbunden ist, und einen unteren Propeller (130), der mit einem Rotor des Motors (110) verbunden ist. Es sollte jedoch anerkannt werden, dass der obere Propeller (120) mit dem Rotor verbunden werden kann und der untere Propeller mit dem Stator verbunden werden kann. Der obere Pro pellet (120) hat eine entgegengesetzte Richtung zu der Richtung des unteren Propellers (130). Zum Beispiel ist der obere Propeller (120) rechtsläufig und der untere Propeller (130) linksläufig oder umgekehrt. Während der obere Propeller (120) und der untere Propeller (130) in entgegengesetzte Richtungen drehen, liefern sie eine Kraft in derselben Richtung, z. B. in einer vertikalen Richtung.
  • An den vorderen Enden des oberen Propellers (120) sind Flossen (125) angebracht. Die Flossen (125) bilden generell Tangenten an der Drehrichtung des oberen Propellers (120). Die Flossen (125) stabilisieren die Verfolgungsvorrichtung (100), so dass eine Drehachse (170) der Verfolgungsvorrichtung (100) eine allgemein vertikale Ausrichtung beibehält. Wie in 1 gezeigt, hat die Verfolgungsvorrichtung (100) einen oberen Propeller (120) mit zwei Blättern. 2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführung von einer Verfolgungsvorrichtung (101) gemäß der Erfindung, wobei der obere Propeller (121) ein Propeller mit vier Blättern ist. Daher werden vier Flossen (125) an den vorderen Enden der Blätter (124) bereitgestellt. Es sollte anerkannt werden, dass jede Vielzahl von Blättern verwendet werden kann.
  • Wie in 1 und 2 gezeigt, ist ein Gewicht (126) an einer der Flossen (125) angebracht. Folglich wird das Gewicht (126) von der Drehachse (170) weg versetzt. Das Gewicht (126) veranlasst die Verfolgungsvorrichtungen (100 und 101), sich spiralförmig zu bewegen, wobei die Hauptachse der Helix vertikal ist. Wie in 3 gezeigt, wird bei einer dritten beispielhaften Ausführung einer Verfolgungsvorrichtung (102) gemäß der Erfindung statt des Gewichts (126), das an einer der Flossen (125) angebracht ist, ein Gewicht (127) an einer Welle (123) des oberen Propellers (120) angebracht. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungen ist das Gewicht (127) im Verhältnis zum oberen Propeller (120) frei drehbar.
  • Es sollte anerkannt werden, dass alle bekannten oder später entwickelten Vorrichtungen, Strukturen, Mechanismen, Materialien oder Ähnliches, die dazu verwendet werden können, die oberen bzw. unteren Piopeller (120 und 130) aus dem Gleichgewicht zu bringen, anstatt der Gewichte (125 und 127) verwendet werden können. Das heißt, dass sich die Drehachse (170) der Verfolgungsvorrichtung in einem Winkel zum Schwerefeld befindet, solange die Verfolgungsvorrichtung (100–102) ein Massenschwerpunkt hat, der nicht an der Drehachse (170) ausgerichtet ist. Dann wird die Drehachse (170), so lange der Massenschwerpunkt sich umherdreht oder in anderer Form im Verhältnis zur Drehachse (170) beweglich ist, um den Schwerpunkt präzessieren.
  • Auf diese Weise kann die Verfolgungsvorrichtung (100–102) aus dem Gleichgewicht gebracht werden, indem manche der Propellerblätter (124) bzw. der Flossen (125) aus Werkstoffen hergestellt werden, die eine andere Dichte haben als die anderen Propellerblätter (124) bzw. Flossen (125), indem manche der Propellerblätter (124) bzw. Flossen (125) mit anderen Abmessungen als die anderen Propellerblätter (124) bzw. Flossen (125) hergestellt werden, indem man manche der Propellerblätter (124) bzw. Flossen (125) andere Auftriebsgrade liefern lässt als die anderen Propellerblätter (124) bzw. Flossen (125), indem man Kombinationen von diesen zusammenstellt bzw. andere bekannte Techniken verwendet, um die Verfolgungsvorrichtung (100–102) aus dem Gleichgewicht zu bringen, und zwar entweder mit oder ohne Kombinieren mit den verschiedenen beispielhaft genannten Techniken, die hierin besprochen werden.
  • Zwei Zielsensoren (140 und 150) werden an dem oberen Propeller (120) bzw. an dem unteren Propeller (130) bereitgestellt. Die Zielsensoren (140 und 150) erkennen ein Ziel (200), das über jedes Phänomen wie Licht, Schall, Magnetfelder, Funkfrequenz oder sonstige elektromagnetische Strahlung, Wärme und Kernstrahlung oder über jedes andere bekannte oder später entdeckte Phänomen, das eine Größe liefert, erfasst werden kann. So kann das Ziel (200) eine Quelle von Schallenergie, Lichtenergie, einem oder mehreren Magnetfeldern, Funkfrequenz, sonstiger elektromagnetischer Strahlung, Kernstrahlung, Wärmeenergie, Schwingungsenergie, Sonnenenergie oder Ähnlichem sein. Zusätzlich oder als Alternative können die Zielsensoren (140 und 150) für Signale des Globalen Positionierungssystems (GPS) empfindlich sein.
  • Die Zielsensoren (140 und 150) stellen Signale für eine Steuerung (160) bereit. Die Signale sind für die Entfernung der Sensoren (140 und 150) von dem Ziel (200) empfindlich. Eine Stromversorgung (115) stellt Strom für den Motor (110) und die Steuerung (160) bereit. Die Stromversorgung (115) kann beispielsweise aus einer oder mehreren Batterien oder einer komprimierten Feder oder einem verwundenen Gummiband oder Druckgas oder Brennstoff bestehen. Es sollte außerdem anerkannt werden, dass der Motor (110) und die Steuerung (160) jeweils mit einer getrennten Stromversorgung oder Stromversorgungen ausgestattet werden können. Die Zielsensoren (140 und 150) kön nen Solarzellen sein, die den Verfolgungsvorrichtungen (100, 101 und 102) gestatten, die Sonne zu verfolgen, während ein Planet sich dreht. Solche Solarzellen können zusätzlich zum Erfassen der Sonne auch als die Stromversorgung für den Motor (110) und die Steuerung (160) fungieren.
  • Die Steuerung (160) steuert den Motor (110), um ein Drehzahldifferenzial ω zwischen dem oberen Propeller (120) und dem unteren Propeller (130) zu modulieren. Die Modulation ist empfindlich für das Differenzial zwischen den Signalen, die von den Zielsensoren (140 und 150) bereitgestellt werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungen ermittelt die Steuerung (160) das Drehzahldifferenzial zwischen dem oberen Propeller (120) und dem unteren Propeller (130) als: ω = a·ΔS + b, wobei:
    a ein Verstärkungsfaktor ist;
    Δ S die Differenz zwischen dem Signal von dem Sensor (140) und dem Signal von dem Sensor (150) ist; und
    b ein Versatzwert ist.
  • Der Versatzwert b wird dazu benötigt, das Drehzahldifferenzial beizubehalten, so dass die Verfolgungsvorrichtungen (100–102) weiter fliegen können. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungen sind der Verstärkungsfaktor a und der Versatzwert b empirisch gewählte Werte, die von spezifischen Parametern der Verfolgungsvorrichtungen (100–102), wie deren Gewicht, abhängen.
  • Wenn die Drehachse (170) der Verfolgungsvorrichtung (100) stärker in Richtung des Ziels (200) zeigt, steigt das Drehzahldifferenzial ω auf Grund eines Anstiegs des Signals S140, dass von dem Zielsensor (140) bereitgestellt wird. Wenn die Drehachse (170) der Verfolgungsvorrichtung (100) von dem Ziel (200) wegzeigt, sinkt das Drehzahldifferenzial ω auf Grund eines Absinkens des Signals S140, dass von dem Zielsensor (140) bereitgestellt wird. Ein Anstieg beim Drehzahldifferenzial ω veranlasst die Verfolgungsvorrichtung (100) dazu, durch Präzession der Drehachse (170), verursacht durch das Gewicht (126), in Richtung des Ziels (200) zu beschleunigen. Ein Absinken des Drehzahldifferenzials ω veranlasst die Verfolgungsvorrichtung (100) zu verzögern. Befindet sich das Ziel (200) senkrecht über der Verfolgungsvorrichtung (100), veranlasst die Steuerung (160) die Verfolgungsvorrichtung zum Erhöhen ihrer Geschwindigkeit und Aufwärtsschrauben, bis sie das Ziel (200) passiert, wobei an diesem Punkt die Steuerung (160) die Verfolgungsvorrichtung (100) zum Senken ihrer Geschwindigkeit veranlasst. Obwohl die verschiedenen beispielhaften Verfolgungsvorrichtungen (100 – 102) als zu dem Ziel hin bewegend beschrieben wurden, sollte anerkannt werden, dass die verschiedenen beispielhaften Verfolgungsvorrichtungen so gesteuert werden können, dass sie sich von dem Ziel wegbewegen.
  • 4 stellt die horizontale Bewegung der verschiedenen beispielhaften Verfolgungsvorrichtungen (100–102) gemäß der Erfindung dar. Eine Verfolgungsvorrichtung beginnt bei Koordinaten (0, 0) in der X-Y-Ebene und bewegt sich in Richtung des Ziels (200), das sich bei den horizontalen Zielkoordinaten (0, 8) in der X-Y-Ebene und bei einer unspezifizierten vertikalen Zielposition in einer Z-Richtung befindet. Während die Drehachse (170) präzessiert, gibt es Punkte, an denen der Zielsensor (140) stärker in Richtung des Ziels (200) zeigt, und Punkte, an denen der Zielsensor (140) stärker vom Ziel (200) wegzeigt.
  • Jedes Mal, wenn der Zielsensor (140) stärker in Richtung des Ziels (200) zeigt, erhöht die Steuerung (160) die Drehgeschwindigkeit des oberen Propellers (120) und des unteren Propellers (130), was die Verfolgungsvorrichtung (100–102) dazu veranlasst, sich in Richtung des Ziels (200) zu bewegen und ihre senkrechte Höhe zu erhöhen. Jedes Mal, wenn der Zielsensor (140) stärker vom Ziel (200) wegzeigt, senkt die Steuerung (160) die Drehgeschwindigkeit der Propeller (120 und 130), was die Verfolgungsvorrichtung (100–102) dazu veranlasst, sich von dem Ziel (200) wegzubewegen und ihre senkrechte Höhe zu verringern.
  • Die Steuerung (160) steuert direkt die senkrechte Höhe der Verfolgungsvorrichtung, indem sie die Drehgeschwindigkeit der Propeller (120 und 130) steuert. Die horizontale Bewegung der Verfolgungsvorrichtung (100–102) wird jedoch durch Präzession der Drehachse (170) gesteuert.
  • Die verschiedenen beispielhaften Verfolgungsvorrichtungen (100- 102) gemäß der hier offenbarten Erfindung können eingesetzt werden: bei mobilen berührungslos arbeitenden Sensoren, bei der Planetenerkundung, zum Verfolgen von beweglichen landgestützten Objekten wie Personen, Tiere, Munition, Truppen bzw. Fahrzeuge, zum Verfolgen von Umweltbedingungen bzw. Wetterstrukturen, bei automatisch einsetzbaren Parametersensoren, bei Roboterbildpunkten für Anzeigen oder intelligente Trockentinte, bei verdeckter Aufklärung im Nächstbereich, bei verdeckter Überwachung und bei lasergelenkten intelligenten Bomben oder Blendgranaten, bei Spielzeugen, bei Roboterhaustieren, bei Computereingabegeräten (zum Beispiel unter Verwendung von Stimmen), die einem Benutzer folgen. Da die verschiedenen beispielhaften Verfolgungsvorrichtungen (100–102) gemäß der hier offenbarten Erfindung nur einen Motor, kein Getriebe und eine einzelne Steuerung umfassen, sind die Kosten und die Komplexität der Verfolgungsvorrichtungen (100–102) im Verhältnis zu den oben offenbarten konventionellen Vorrichtungen reduziert.
  • Obwohl die verschiedenen beispielhaften Vorrichtungen (100–102) als Verfolgungsvorrichtungen offenbart wurden, sollte anerkannt werden, dass die verschiedenen beispielhaften Vorrichtungen (100–102) als Spielzeuge oder Vergnügungsgeräte mit den Zielsensoren oder ohne sie funktionieren können.
  • Es ist zu beachten, dass die in 1 bis 3 gezeigte Steuerung (160) als physikalisch eindeutige Hardware-Schaltung oder als anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) oder unter Verwendung einer feldprogrammierbaren Gatteranordnung (FPGA), eines programmierbaren digitalen Schaltkreises (PDL), einer programmierbaren Logikanordnung (PLA) oder einer programmierbaren Matrixlogik (PAL) oder unter Verwendung von diskreten Logikbausteinen oder Einzelleitungselementen implementiert werden kann. Die besondere Form, welche die in 1 bis 3 gezeigte Steuerung (160) annimmt, ist eine Frage der Konstruktion und für den auf diesem Gebiet erfahrenen Personenkreis offensichtlich und vorhersehbar. Die Steuerung (160) kann zum Beispiel Operationsverstärker zur Dreisignalaufbereitung, einen Feldeffekttransistor (FET), einen Leistungstransistor und Widerstände umfassen.

Claims (9)

  1. Verfolgungsvorrichtung, die umfasst: einen Motor (110), der einen Rotor und einen Stator enthält; einen ersten Propeller (120), der mit dem Rotor verbunden ist; einen zweiten Propeller (130), der mit dem Stator verbunden ist; einen ersten Zielsensor (140) an dem ersten Propeller; einen zweiten Zielsensor (150) an dem zweiten Propeller; wenigstens eine Unwuchtstruktur (126; 127), die an dem ersten oder dem zweiten Propeller angebracht ist; eine Steuerung (160), die eine Drehgeschwindigkeit des Motors auf Basis von Signalen steuert, die von dem ersten und dem zweiten Zielsensor bereitgestellt werden; und wenigstens eine Stromversorgung (115) für den Motor und die Steuerung.
  2. Verfolgungsvorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren Flossen (125) an vorderen Enden des ersten Propellers (120) umfasst, die Tangenten an eine Drehrichtung des ersten Propellers bilden.
  3. Verfolgungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Unwuchtstruktur wenigstens ein Gewicht (126) an einer Flosse des ersten Propellers umfasst.
  4. Verfolgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Unwuchtstruktur wenigstens ein Gewicht (127) umfasst, das drehbar an dem ersten Propeller angebracht ist.
  5. Verfolgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ziel wenigstens ein Magnetfeld, eine Schallquelle, eine Lichtquelle, eine Wärmequelle, eine HF-Strahlungsquelle oder eine Kernstrahlungsquelle ist.
  6. Verfolgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (160) den Motor zum Bewegen der Verfolgungsvorrichtung auf das Ziel zu steuert.
  7. Verfolgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (160) den Motor zum Bewegen der Verfolgungsvorrichtung von dem Ziel weg steuert.
  8. Verfolgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Stromversorgung (115) eine Batterie ist.
  9. Verfolgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Stromversorgung eine Solarzelle (140, 150) ist.
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