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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Anmeldung betrifft eine Verfolgungseinrichtung, die einen steuerbaren
Freiheitsgrad besitzt und die mit sechs Freiheitsgraden beweglich
ist.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Verfolgungseinrichtungen
können
beispielsweise auf Gebieten wie bei der Planetenerkundung, der mobilen
Fernerkundung, der Verfolgung beweglicher, landgebundener Agenten,
beispielsweise von Personen, Tieren und Kraftfahrzeugen, bei automatisch
einsetzbaren Parametersensoren sowie bei präzisionsgelenkter Munition (smart
bombs) eingesetzt werden. Damit sich jedoch die Verfolgungseinrichtung
mit sechs Freiheitsgraden bewegen kann, sind komplizierte Antriebs-
und Steuersysteme notwendig. Hieraus ergeben sich größere und
teurere Verfolgungseinrichtungen.
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Eukaryotische,
einzellige Mikroorganismen fungieren als Verfolgungseinrichtungen,
können
jedoch nur einen Freiheitsgrad steuern. Die Mikroorganismen sind
jedoch in der Lage, sich mit sechs Freiheitsgraden zu verspürten Stimuli,
beispielsweise Nahrungsquellen und Licht, hin und von diesen weg zu
bewegen. Die Mikroorganismen steuern ihren einen Freiheitsgrad,
um sich im Wesentlichen in einem spiralförmigen Muster vorwärts zu bewegen.
Die Mikroorganismen verfolgen einen Stimulus durch Modifizieren
der Geschwindigkeit ihrer Bewegung mit einem Freiheitsgrad durch
ein einfaches Rückkopplungssystem.
Während
sich der Mikroorganismus dreht, verspürt er die Stimuli sinusförmig. Durch
Modulieren seiner Rotationsgeschwindigkeit auf eine Weise, die direkt
proportional zu dem verspürten
Stimulus ist, bewegt sich der Mikroorganismus zu den Stimuli hin
oder von diesen weg, abhängig
von der Richtung der Modulation; dies erfolgt durch Präzession,
das heißt,
Bewegung einer Achse des Mikroorganismus auf Grund einer angelegten äußeren Kraft. Die
Bewegung einzelliger Mikroorganismen wird ausführlicher in dem Dokument „Orientation
by Helical Motion – I.
Kinematics of the Helical Motion of Organisms with up to Six Degrees
of Freedom", von
Hugh C. Crenshaw, veröffentlicht
im Bulletin of Mathematical Biology, Band 55, Nummer 1, Seiten 197
bis 212 (1993), beschrieben, das hierin in seiner Gänze als Referenz
aufgenommen ist.
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Als
Spielzeuge und Unterhaltungsvorrichtungen verwendete Bälle mit
Selbstantrieb sind beispielsweise aus den
US-Patenten 5.533.920 ,
5.439.408 und
4.438.588 bekannt. Das
US-Patent 5.533.920 für Arad et
al. offenbart einen musikalischen Spielzeugball mit Selbstantrieb,
der eine mittig oder exzentrisch befestigte Vorrichtung zum Selbstantrieb
sowie einen Geräuscheffekt-Chip
mit integrierter Halbleiterschaltung besitzt. Der Ball umfasst einen
Stoßschalter,
der bewirkt, dass sich die Vorrichtung mit Selbstantrieb abschaltet,
wenn sie mit einem Hindernis kollidiert. Das
US-Patent Nummer 5.439.408 für Wilkinson
offenbart eine Unterhaltungsvorrichtung eines beweglichen Balls
mit Fernsteuerung, die einen Antriebsmechanismus besitzt, der einen
Empfänger
und eine Antriebseinheit umfasst. Die Antriebseinheit umfasst exzentrisch
befestigte Gewichte, die durch einen Motor gedreht werden, der durch
ein Signal von einer Fernsteuerungseinheit aktiviert wird. Das
US-Patent 4.438.588 für Martin
offenbart einen ferngesteuerten Ball, der ein Spielzeugfahrzeug
mit Fernsteuerung in den Ball eingefügt und einen Schalter enthält, der
den Strom abschaltet, wenn das Fahrzeug umgedreht wird.
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Die
oben diskutierten Bälle
enthalten komplizierte Kraftübertragungen
und sind nicht in der Lage, ein Ziel zu verfolgen. Die Bälle erfordern
darüber
hinaus eine Inbetriebnahme und Beaufsichtigung durch einen Betreiber
und sind nur mit einer begrenzten Energieversorgungsart, beispielsweise
mit herkömmlichen
Batterien, funktionsfähig.
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Das
Dokument
US 5.934.968 beschreibt
ein sich zufällig
bewegendes Spielzeug, das eine Verfolgung durch ein Spielzeugtier
simuliert und ein externes Element sowie ein internes Element umfasst, welches
in Bezug auf das externe Element rotierbar ist. Darüber hinaus
ist ein Motor mit einer Rotorwelle, die an dem externen Element
angebracht ist, an dem internen Element angebracht, und es wird
eine Stromquelle für
den Motor bereitgestellt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verfolgungseinrichtung
in ihren we sentlichen Grundzügen
hinsichtlich einer Verringerung der Komplexität und der Kosten zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch das Bereitstellen einer Verfolgungseinrichtung
gemäß Anspruch
1 gelöst.
Ausführungsformen
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden in der
folgenden, ausführlichen
Beschreibung verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der Systeme und
Verfahren gemäß dieser
Erfindung beschrieben oder sind daraus ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Verschiedene
beispielhafte Ausführungsformen
dieser Erfindung werden ausführlich
in Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben, wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht ist, die eine beispielhafte Ausführungsform
einer Verfolgungseinrichtung gemäß der Erfindung
schematisch darstellt;
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2 ist
eine perspektivische Ansicht, die das interne Element, die Bodenkontaktsensoren,
die Zielsensoren sowie die Steuerung der Verfolgungseinrichtung
gemäß der Erfindung
schematisch darstellt;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, die die Steuerung der Verfolgungseinrichtung
gemäß der Erfindung
schematisch darstellt;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine zweite beispielhafte Ausführungsform
der Verfolgungseinrichtung gemäß der Erfindung
schematisch darstellt;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine dritte beispielhafte Ausführungsform
der Verfolgungseinrichtung gemäß der Erfindung
schematisch darstellt; und
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6 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine beispielhafte Rolleinrichtung
gemäß der Erfindung
schematisch darstellt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform
einer Verfolgungseinrichtung 100 gemäß der Erfindung. Ein externes
Element 110 ist rotierbar in Bezug auf ein internes Element 120.
Wie in 1 dargestellt, kann das externe Element 110 kugelförmig sein
und das interne Element 120 kann scheibenförmig sein.
Ein Motor 130 ist an dem internen Element 120 angebracht.
Eine Rotorwelle 135 des Motors 130 ist an dem
externen Element 110 angebracht. Die Rotorwelle 135 definiert
eine Rotationsachse 136 der Verfolgungseinrichtung 100.
Eine Rotation der Rotorwelle 135 bewirkt, dass das interne
Element 120 in Bezug auf das externe Element 110 kreiselartig
rotiert. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Verfolgungseinrichtung 100 gemäß der Erfindung rotiert
das interne Element 120 konstant in Bezug auf das externe
Element 110. Es muss jedoch klargestellt werden, dass der
Motor 130 selektiv betätigt
werden kann, um die Rotorwelle 135 unter spezifizierten
Bedingungen zu drehen.
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Eine
oder mehrere Energieversorgungen 140 und 145 sind
an dem internen Element 120 angebracht und versorgen den
Motor 130 mit Energie. Obwohl zwei Energieversorgungen 140 und 145 dargestellt
werden, muss klargestellt werden, dass mehr als zwei Energieversorgungen
bereitgestellt werden können
oder dass nur eine Energieversorgung bereitgestellt werden kann.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Verfolgungseinrichtung 100 gemäß der Erfindung
sind die Energieversorgungen 140 und 145 Batterien.
In verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
können
die Energieversorgungen 140 und 145 Solarzellen
sein. Es muss klargestellt werden, dass jedwede Quelle, die in der
Lage ist, den Motor 130 mit Elektroenergie zu versorgen,
als die eine oder die mehreren Energieversorgungen verwendet werden kann.
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Zwei
Zielsensoren 150 und 155 werden auf dem internen
Element 120 bereitgestellt. Die Zielsensoren 150 und 155 können jedes
Phänomen
erfassen, das einen Wert wie beispielsweise ein magnetisches Feld,
Schall, Licht und RF-Strahlung bereitstellt. Des Weiteren können die
Zielsensoren 150 und 155 auf Signale aus dem GPS
(global positioning satellite)-System reagieren.
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Gemäß verschiedener
beispielhafter Ausführungsformen
der Verfolgungseinrichtung gemäß der Erfindung
können
die Zielsensoren Solarzellen sein. Die Verwendung von Solarzellen
erlaubt es der Verfolgungseinrichtung 100, der Sonne zu
folgen, während
sich ein Planet dreht, wodurch es möglich ist, die Verfolgungseinrichtung
bei der Planetenerkundung zu verwenden. Die Solarzellen können neben dem
Erfassen der Sonne auch als Energieversorgung für den Motor 130 dienen.
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Zwei
Bodenkontaktsensoren 160 und 165 werden darüber hinaus
einander diametral gegenüber
auf dem internen Element 120 bereitgestellt. Die Bodenkontaktsensoren 160 und 165 können Näherungssensoren
sein. Wie in 2 dargestellt, werden die Zielsensoren 150 und 155 einander
diametral gegenüberliegend
in einer Richtung bereitgestellt, die senkrecht zu der Richtung
liegt, in der die Bodenkontaktsensoren 160 und 165 einander
diametral gegenüberliegen.
Es muss jedoch klargestellt werden, dass andere Sensorpositionierungsanordnungen verwendet
werden können,
so lange die Zielsensoren 150 und 155 einander
diametral gegenüberliegen und
die Bodenkontaktsensoren 160 und 165 einander
diametral gegenüberliegen.
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Wie
in 2 dargestellt, gibt jeder Sensor 150, 155, 160 und 165 ein
Signal S150, S155, S160 beziehungsweise S165 an eine Steuerung 170 aus, die
die Drehgeschwindigkeit des Motors 130 steuert. Die Signale
S150, S155, S160 und S165 sind proportional zu der Entfernung der
Sensoren 150, 155, 160 beziehungsweise 165 von
einem Ziel 200, wie in 3 dargestellt.
Anschließend
bestimmt die Steuerung 170 das Produkt P aus den Differenzen
der jeweiligen Sensorpaare 150, 155 und 160, 165 wie folgt: P = (S150 – S155) × (S160 – S165).
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Wenn
das Produkt P ein positiver Wert ist, steuert die Steuerung 170 den
Motor 130, um die Rotation des internen Elementes 120 zu
beschleunigen, so dass sich die Verfolgungseinrichtung 100 zu
dem Ziel 200 hin bewegt. Würde sich jedoch das Ziel 200 auf
der anderen Seite der Verfolgungseinrichtung 100 befinden,
wäre das
Produkt P ein negativer Wert und die Steuerung steuert den Motor 130 so,
dass dieser die Rotation des internen Elementes 120 verlangsamt.
Obwohl die Steuerung 170 dahingehend beschrieben wurde,
dass sie bewirkt, dass sich die Verfolgungseinrichtung 100 zu
dem Ziel 200 hin bewegt, muss klargestellt werden, dass
die Steuerung 170 den Motor 130 auch so steuern
kann, dass bewirkt wird, dass sich die Verfolgungseinrichtung 100 von
dem Ziel 200 weg bewegt.
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Wenn
sich in 3 die Verfolgungseinrichtung 100 nahe
dem Ziel 200 befindet, ist das durch den Zielsensor 150 bereitgestellte
Signal S150 größer als
das durch den Zielsensor 155 bereitgestellte Signal S155,
da sich der Zielsensor 150 näher an dem Ziel 200 befindet.
Des Weiteren stellt der Bodenkontaktsensor 160 ein Signal
S160 bereit, das größer ist
als das durch den Bodenkontaktsensor 165 bereitgestellte
Signal S165, da der Bodenkontakt 160 dem Boden 210 näher ist
als der Bodenkontaktsensor 165. Wenn die Differenz aus
(S150 – S155)
positiv ist und die Differenz aus (S160 – S165) positiv ist, ist auch
das Produkt P der Differenzen positiv. Daher erhöht die Steuerung 170 die
Rotation des Motors 130, wodurch die interne Rotation des
internen Elementes 120 zunimmt. Die Winkelbeschleunigung
des internen Elementes 120 erzeugt eine gleichgroße und entgegengesetzte
Winkelbeschleunigung des externen Elementes 110, und die
Verfolgungseinrichtung 100 beginnt, zu dem Ziel 200 hin
zu rollen.
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Die
durch die Rotorwelle 135 der Verfolgungseinrichtung 100 definierte
Rotationsachse 136 neigt dazu, auf Grund der Schwerkraft
naturgemäß zu präzedieren
und die Stellung der Rotationsachse 136 neigt dazu, zu
rotieren. Da Präzession
auftritt, rollt die Verfolgungseinrichtung 100 zu dem Ziel 200. Wie
in 3 dargestellt, rollt die Verfolgungseinrichtung 100,
wenn die Rotationsachse 136 in Bezug auf den Boden 210 geneigt
ist. Es gibt jedoch Sattelpunkte, an denen das externe Element 110 der
Verfolgungseinrichtung 100 nicht rollt. Wenn sich die Rotationsachse 136 senkrecht
zum Boden 210 oder senkrecht zu dem Ziel 200 oder
parallel zur Schwerkraft befindet, wird das externe Element 110 nicht
rollen. Da jedoch die Sattelpunkte nicht stabil sind, bewirkt normales „Rauschen" in den Komponenten
der Verfolgungseinrichtung, dass sich die Rotationsachse 136 von
den Sattelpunkten weg bewegt und eine Rotation des externen Elementes 110 bewirkt.
Jedwede andere Position der Rotationsachse 136 bewirkt, dass
das externe Element 110 der Verfolgungseinrichtung 100 entlang
einem Vektor beschleunigt, der eine Komponente zu dem Ziel 200 besitzt.
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Obwohl
das externe Element 110 in den 1 und 3 als
kugelförmig
dargestellt wird, muss klargestellt werden, dass das externe Element 110 nicht
zwingend kugelförmig
sein muss. Wie in 4 dargestellt, kann eine zweite
beispielhafte Verfolgungseinrichtung 1000 gemäß der Erfindung
ein externes Element 1110 enthalten, das eiförmig ist. Die
Verwendung eines eiförmigen
externen Elementes 1110 ermöglicht es der Verfolgungseinrichtung, die
Sattelpunkte leichter zu vermeiden.
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5 zeigt
eine dritte beispielhafte Ausführungsform
der Verfolgungseinrichtung 100 gemäß der Erfindung. Wie in 5 dargestellt,
kann die Verfolgungseinrichtung 100 hüpfen, indem die Rotation des
internen Elementes 120 plötzlich gestoppt wird oder indem
die Beschleunigung des Motors 130 plötzlich gesenkt oder erhöht wird.
Die Rotation des internen Elementes 120 kann plötzlich gestoppt
werden, indem ein an dem externen Element 110 befestigtes
Gestänge
in den Rotationspfad des internen Elementes 120 eingeführt wird.
Beispielsweise kann ein Magnetventil-Tauchkolben 185 eines
an dem externen Element 110 angebrachten Magnetventils 180 durch
die Steuerung 170 gesteuert werden, das interne Element 120 zu
kontaktieren, um die Rotation des internen Elementes 120 plötzlich zu
stoppen. Wenn die Verfolgungseinrichtung 100 durch ein
Hindernis gestoppt wird, kann die Verfolgungseinrichtung 100 aus
dem Pfad des Hindernisses hüpfen.
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6 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
einer Verfolgungseinrichtung 100 gemäß der Erfindung. Wie in 6 dargestellt,
ist die Rolleinrichtung 100 ähnlich der Verfolgungseinrichtung 100,
die in den 1 und 5 dargestellt
wird, mit der Ausnahme, dass die Zielsensoren 150 und 155 und
die Bodenkontaktsensoren 160 und 165 nicht bereitgestellt
werden. Die Verfolgungseinrichtung 100 kann hüpfen, indem
die Rotation des internen Elementes 120 plötzlich gestoppt
wird oder indem die Beschleunigung des Motors 130 plötzlich gesenkt
oder erhöht wird.
Die Rotation des internen Elementes 120 kann plötzlich gestoppt
werden, indem der Magnetventil-Tauchkolben 185 des an dem
externen Element 110 angebrachten Magnetventils 180 in
den Rotationspfad des internen Elementes 120 eingeführt wird, um
die Rotation des internen Elementes 120 plötzlich zu
stoppen. Die Steuerung 170 kann so programmiert sein, dass
sie den Magnetventil-Tauchkolben 185 unter spezifizierten
Bedingungen oder zufällig
in den Rotationspfad des internen Elementes einführt.
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Obwohl
die Rolleinrichtung 100 als hüpfend durch das Einführen des
Magnetventil-Tauchkolbens 185 in
Kontakt mit dem internen Element 120 beschrieben wurde,
muss klargestellt werden, dass die Vorrichtung 100 als
eine hüpfende
Vorrichtung konfiguriert sein kann, die sich nur durch Hüpfen ohne
jedwedes Rollen bewegt.
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Die
verschiedenen, beispielhaften Verfolgungseinrichtungen gemäß der hierin
offenbarten Erfindung können
in mobilen Fernerkundungssensoren, der Planetenerkundung, der Verfolgung
beweglicher, landgebundener Agenten, beispielsweise von Personen,
Tieren und/oder Kraftfahrzeugen, automatisch einsetzbaren Parametersensoren,
Roboterpixeln für
Anzeigevorrichtungen oder intelligente Toner (smart toner), lasergesteuerter,
präzisionsgelenkter Munition
(smart bombs) oder Blendgranaten (flash bang), Spielzeugen, Roboterhaustieren,
automatischen Schmutzsammelvorrichtungen (dustball collector) und/oder
kleinen Gepäcktragevorrichtungen eingesetzt
werden. Da die verschiedenen, beispielhaften Verfolgungseinrichtungen
gemäß der hierin offenbarten
Erfindung nur einen Motor enthalten, ist keine Kraftübertragung
(Getriebe) und nur eine einzige Steuerung erforderlich, die Kosten
und die Komplexität
der Verfolgungseinrichtungen 100 und 1000 sind
verringert.
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Es
ist hervorzuheben, dass die in 2 dargestellte
Steuerung 170 als eine distinkte physikalische Hardwareschaltung
oder ein ASIC oder unter Verwendung einer FPGA, PDL, PLA oder PAL
oder unter Verwendung diskreter Logikelemente oder diskreter Schaltungselemente
implementiert werden kann. Die jeweilige Form, die die in 2 dargestellte
Steuerung 170 annimmt, ist eine Konstruktionsauswahl und
für Fachleute
offensichtlich und vorhersagbar. Beispielsweise kann die Steuerung 170 drei signalbedingende
(signal conditioning) Operationsverstärker, einen Feldeffekt-Transistor
(FET), einen Leistungstransistor sowie Widerstände umfassen.