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Verfahren und Einrichtung zur Steuerung von Fahrzeugen längs einer
vorgegebenen Bahn Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug längs einer
vorgegebenen geradlinigen oder gekrümmten Bahn zu steuern, und diese Steuerung soll
insbesondere auch beim Vorhandensein einer Windabtrift einwandfrei durchgeführt
werden können. Bei Abtrift läßt sich bekanntlich das genaue Ansteuern eines Zieles
bzw. das Einhalten einer vorgegebenen Flugbahn mit einer Kurssteueranlage nur dann
durchffihren, wenn bei dieser Kurssteueranlage Hilfseinrichtungen vorgesehen sind,
die es gestatten, die vorhandene Abtrift festzustellen und ihre Wirkung auf die
Flugbahn auszugleichen. Es ist bereits bekannt, den jeweiligen Standort eines Fahrzeuges,
beispielsweise eines Flugzeuges, dadurch festzustellen, daß Peilungen nach zwei
Sendern mit bekannten Standorten genommen werden; dabei wird der Standort des Fahrzeuges
beispielsweise durch die Festlegung der von zwei festen Polen (den beiden Sendern)
gemessenen Azimutwinkel bestimmt.
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Man kann auch durch laufende Standortbestimmungen unter Verwendung
rein kinematischer Mittel die Steuerung eines Fahrzeuges längs vorgegebener Bahnen
vornehmen. Dabei werden zwei Arme ständig auf die jeweils gemessenen Azimutwinkel
nachgestellt. Die Drehachsen dieser beiden Arme stehen senkrecht auf
einem
Kartentisch und sind relativ zu diesem in jeder Richtung verschiebbar. Bei Benutzung
eines bestimmten Senderpaares werden sie an den den Senderorten entsprechenden Stellen
der Karte befestigt. Die Sollflugbahn wird ebenfalls durch ein Lineal verkörpert,
das verschiebbar ist und auf dem Kartentisch fixiert werden kann.
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Auf den Armen gleiten Hülsen, die durch eine vertikale Achse miteinander
verbunden sind.
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Diese Achse befindet sich sornit bei der Drehung der Arme ständig
in deren Schnittpunkt, dem Ort des Fahrzeuges. Auf dem Lineal, das den Sollkurs
verkörpert, ist ein in der Längsrichtung verschiebbarer \S'agen angeordnet. Dieser
trägt ein Potentiometer, dessen Abgriff in einer Schiene quer zur Sollflugbahn verschiebbar
ist.
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Der Abgriff ist mit der vertikalen Achse verbunden, die den waagen
dadurch in der Sollkursbahn mitnimmt Der Abstand des Abgriffliontalites von seinem
Sollpunlit ist dann immer gleich der augenblicklichen Abweichung des Fahrzeuges
von der Sollflugbahn. Die abgegrifi'ene Spannung kann also etwa der liurssteuerung
aufgeprägt werden. Ein derartiges Steuerverfahren weist jedoch empfindliche Nachteile
auf. Vor allen Dingen ist für die Durchführung des Verfahrens ein verhältnismäßig
hoher Aufwand an Präzisionsmechanik erforderlich. Der Raumbedarf und damit auch
der Gewichtsaufwand sind außerdem beide verhältnismäßig groß, so daß das Steuerverfahren
insbesondere bei Flugzeugen kaum ansvendbar ist.
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Die geschilderten Sachteile können bei dem \'erfahren nach der Erfindung
vermieden werden.
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Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren zum Steuern eines Fahrzeuges
längs einer vorgegebenen Bahn in Zusammenarbeit mit zwei erdfesten, vom Fahrzeug
anpeilbaren Punkten, z. B. zwei Drehfunkfeuern, zu welchen auf dem Fahrzeug laufend
die Richtungen un1:oder Entfernungen bestimmt werden, ein Teil einer zweiteiligen
Vergleichseinrichtung durch ein für eine bestimmte einzuhaltende Fahrzeugbahn die
zwischen den gleichzeitig gemessenen Richtungs-oder Entfernungswerten (des Fahrzeuges
zu den beiden anpeilbaren Punkten) bestehende Abhängigkeit verkörperndes Kurvengetriebe
entsprechend dem laufend zu dem einen anpeilbaren Punkt gemessenen U'ert, z. B.
Azimutwinkd a, und der andere Teil entsprechend dem laufend zu dem anderen anpeilbaren
Punkt gemessenen Wert, z. B. Azimutwinkel ß, einstellbar und durch Relativverschiebung
beider Teile gegeneinander die Abweichung des Fahrzeuges vom Sollkurs feststellbar,
welche Abweichung als Richtwert für die Ruderlegvorrichtung des Fahrzeuges verwendet
wird. Die Steuergrößen werden also von einer Einrichtung geliefert, die nach Art
einer Programmsteuerung arbeitet.
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Zum Unterschied gegenüber den Programmsteuerungen üblicher Art werden
in diesem Fall aber die Steuergrößen in Abhängigkeit von zwei Veränderlichen erhalten.
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Es ist zwar auch schon bekannt, nach den Angaben zweier sich schneidender
Zeiger, deren Schnittpunkt die Istlage des Fahrzeuges darstellt, im Vergleich mit
einer als Kurvenblatt vorgegebenen Schablone, deren laufender Punkt die Sollage
des Fahrzeuges darstellt, zu steuern, d. h. der Steuerwert wkd gewonnen aus der
Abweichung des dem Istwert entsprechenden Zeigerpunktes von dem den Sollwert darstellenden
laufenden Punkt. Es sind Einrichtungen bekannt, die die Automatisierung dieses Steuer
vorgangs auf der Grundlage des durch die beiden Zeiger verkörperten bipolaren Koordinatensystems
anstreben. Die technische Durchführung dieses Prinzips ist jedoch mit bedeutenden
Schwierigkeiten, besonders in bezug auf die mechanische Durchbildung des Gerätes,
verbundes Demgegenüber werden bei der Einrichtung nach der Erfindung die zunächst
in bipolaren Koordinaten vorliegenden Veränderlichen auf das einfache Polarkoordinatensystem
transformiert, wodurch die Möglichkeit einer bedeutend einfacheren mechanischen
Verkörperung der Sollkurve und damit auch eine bedeutend vereinfachte Durchführung
des Vergleichs zwischen Ist- und Sollwert zwecks Gewinnung der Steuergröße gegeben
ist Man kann nun weiter nach der Erfindung die von der Vergleichseinrichtung gelieferten
Steuergrößen einem Sichtgerät zuführen und danach die Ruderlgvorrichtung von Hand
verstellen oder aber auch die vorzugsweise als elektrische Impulse gen-onnenen Steuergrößen
direkt auf eine selbsttätige Seitenrudersteuerung schalten, bei Flugzeugen beispielsweise
zur Verstellung der Kurskreiselbasis benutzen.
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Weitere Einzelheiten des Verfahrens nach der Erfindung, insbesondere
auch nähere Angaben über Einrichtungen zur Ausübung des Verfahrens, sind in der
folgenden Beschreibung enthalten.
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Wenn sich gemäß der schematischen Darstellung in Fig. I das Fahrzeug
F längs der Sollflugbahn s bewegt, gehört zu jedem Azimutwinkel p ein ganz bestimmter
wert des Azimutwinkds a. Der Zusammenhang zwischen den beiden Winkeln läßt sich
durch eine Funktion darstellen: = f (ß) Dies ist aber nichts anderes als die Gleichung
der Sollflugbahn im bipolaren 'inlsellioordinatensl stem p ist dabei als die unabhängig
S'eränderliche, Ir als die abhängig Verändeiliche gewählt. Dadurch ergibt sich eine
Ungleichheit in der lSehandlung und Werwertung der beiden Azimutstrahlen, die ein
wesentliches Kennzeichen der Erfindung sind und ein unterschiedliches Merkmal gegenüber
dem eingangs erwähnten bekannten Verfahren darstellen, das auf einer völligen Gleichwertigkeit
der
beiden Azimutstrahlen beruht. Wenn sich nun das Fahrzeug an der Stelle F' befindet,
also auf der Verlängerung des Strahles #ß über F hinaus, so tritt beim Azimutwinkel
ein Fehlwinkel d ri auf. Der rechtwinklige Abstand des Standortes F' von der Sollfiugbahn
ist mit dx bezeichnet. Zwischen x, Aa und ß besteht ebenfalls ein durch die Lage
der Geraden gegen die Pole P, und P2 eindeutig gegebener Zusammenhang. Das Verfahren
zur Gewinnung von Steuerimpulsen, die proportional ß x, also dem rechtwinkligen
Abstand des Fahrzeuges von der Sollfiugbahn verhältig sind, aus den fortlaufend
gemessenen Azimutwinkeln wird nun in der Weise ausgeübt, daß die Sollbahnfunktion
a - f (ß) künstlich nachgebildet wird.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eignen sich sowohl
mechanische als auch elektrische Mittel.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen in Seitenansicht und Draufsicht ein Ausführungsbeispiel
zur Ausübung des Verfahrens. Die Welle I trägt ein Zahnrad 2 und eine Schablonenträgerplatte
3, auf der die Schablone 4 befestigt ist. Die Welle wird über das Zahnrad 2 um einen
Winkel aus ihrer Nullage verdreht, der dem einen der veränderlichen Koordinatenwerte
in dem in Fig. I dargestellten Beispiel, etwa dem Führstrahlwinkel , proportional
ist. Über der Schablone 4 ist eine Schlittenführung 5 angebracht, auf der ein Schlitten
6 gleiten kann. Dieser trägt an seiner Unterseite einen Stift 7, mit dem er am Rand
der Schablone entlang geführt wird. Die Schraubenfeder 8 sorgt dafür, daß die Berührung
zwischen dem Führungsstift und der Schablone dauernd aufrechterhalten bleibt. Auf
dem Schlitten befindet sich ein elektrischer Abgriff, der beispielsweise als Potentiometer
g dargestellt ist. Über dem Schlitten 6 ist ein zweiter Schlitten 10 angebracht,
dessen Führung der Deutlichkeit halber nicht gezeichnet ist. Er trägt an seiner
Unterseite einen Abgriffskontakt II, der auf dem Potentiometer 9 gleitet.
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Der Schlitten 10 kann durch die Schraubenspindel 12 in axialer Richtung
verschoben werden. Diese wird durch das Zahnrad I3 proportional dem Suchstrahlwinkel
a verstellt.
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Die Wirkungsweise der,Einrichtung ist die folgende: Die Stellung
des Abgriffnullpunktes (Potentiometermittelpunkt) entspricht dem Sollwert der Funktion
a f (ß), die Stellung des Abgriffkontaktes II dem Istwert dieser Funktion. Der vom
Abgriff gelieferte Impuls ist daher der Abweichung zwischen Sollwert und Istwert
proportional und kann somit als Steuerimpuls Verwendung finden, etwa einem elektrischien
Verstdlulotor zugeführt werden, der die Basis eines Kurskreisels verstellt.
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Die Einrichtung nach Fig. 2 bzw. 3 hat jedoch bei manchen Anwendungen
den Nachteil, daß einer bestimmten Abweichung des Fahrzeuges von der Sollage kein
gleichbleibender Steuerimpuls zugeordnet ist. Es ändert sich vielmehr das Verhältnis
zwischen der Abweichung und dem Steuerimpuls nach einer Funktion, die von der Gestalt
der Sollbahn abhängt und beispielsweise bei einer geraden Sollbahn die Form -- sin
/3 a sin a a sJn a zu sin 7a /3-) aufweist. Dabei sind a und ß, wie aus der Fig.
1 ersichtlich ist, als eindeutig definierte Funktion von ß darstellbar.
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Der Steuerimpnls, der in Wirklichkeit die Form zlxF x F (ß) da besitzen
müßte, wird also durch die oben beschriebene Einrichtung nur angenähert dargestellt,
da diese die Veränderlichkeit des Faktors F (/3) nicht berücksichtigt.
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Der Gegenstand der Erfindung kann aber leicht derart ausgestaltet
werden, daß auch die erwähnte Korrekturfunktion mit erfaßt wird.
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Grob kann dies dadurch erreicht werden, daß man das Aufschaltverhältnis
LI xld a von Hand aus regelbar macht. Dies ist beispielsweise in einfacher Weise
möglich, indem man die Speisespannung des Abgriffpotentiometers g durch einen von
Hand verstellbaren Widerstand veränderlich macht. Diese Handeinstellung kann in
gewissen Abständen vorgenommen werden Am Drehknopf des regelbaren Widerstandes befindet
sich dazu eine Skala, in der nach dem jeweils angezeigten Wert von ß bzw. ß nach
einer Tabelle od. dgl. die Korrekturwerte eingestellt werden können.
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Es kann jedoch diese Korrektur auch selbsttätig erfolgen. Zu diesem
Zweck wird auf die Welle 1 oder eine mit ihr durch Zahnräder gekuppelte Welle eine
zweite Schablone aufgesetzt, die über einen radial verschiebbaren Gleitstift den
obenerwähnten Regulierwiderstand steuert. Da zu einer Bahnsteuerschablone immer
eine ganz bestimmte Korrekturschablone gehört, können diese beiden Schablonen dauernd
in geeigneter Weise miteinander verbunden sein Man kann die Erfindung auch so ausgestalten,
daß die beiden Schablonen in eine zusammengelegt werden. Dies ist dann in einfacher
Weise möglich, wenn nicht der volle Winkelbereich der Welle I für die Bahnsteuerschablone
ausgenutzt wird, sondern höchstens der halbe Bereich. Es kann dann die eine Hälfte
des Gesamtwinkelbereichs von 360" für die eigentliche Bahnsteuerschablone, die zweite
Hälfte für die Korrekturschablone ausgenutzt werden. Die beiden Abtaststifte werden
dann zweckmäßig diametral gegenüber angebracht.
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In manchen Fällen kann es nachteilig sein, daß bei einer Verwendung
der beschriebenen Einrichtung das Fahrzeug mit einer Schablone nur längs einer ganz
bestimmten Bahn gesteuert werden kann. Nach der weiteren Erfindung
werden
daher Schablonensätze benutzt, deren Schablonen etwa durch Nombination willküriich
wählbare Kurse zu steuern gestatten. Man kann die beschriebene Einrichtung auch
leicht derartig ausbilden, daß ein selbsttätiger Schablonellnvechsel eintritt, sobald
für die Standortuestimmunf,g des Fahrzeuges ein Senderwechsel vorgenommen werden
muß. Xnstatt unveränderlicher Schablonen lassen sich bei der Einrichtung nach der
Erfindung auch einstellbare Schablonen verwenden, die etwa als biegsame Kurvenlineale
ausgebildet sein können. Schließlich ist es auch möglich, eine Funktionsnachbildung
mit rein elektrischen Mitten vorzunehmen.
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Das an Hand der Fig. I,2 und 3 beschriebene Steuerverfahren bezieht
sich auf Funkortungssysteme, die den Ort des Fahrzeuges in bipolaren Winkelkoordinaten
festlegen, z. B. Drehfunkfeuer oder automatische Peiler. Das Verfahren nach der
Erfindung gestattet jedoch ohne weiteres eine allgemeine Anwendung für Ortungsverfahren,
die auf andere Iioordinatensssteme aufgebaut sind. Bei einer Anwendung beispielsweise
der radioelektrischen Entfernungsmeßverfahren, die auf bipolare Radialkoordinaten
(r1, r2) führen, lautet die Bahngleichung r2 = f (#1), während sie bei bipolaren
Winkelkoordinaten, wie bereits oben erwähnt, α = f (ß) lautet.
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Schließlich gestattet die Erfindung auch eine Anwendung bei dem Verfahren
der Trägheitsortung, bei dem der Standpunkt eines Fahrzeuges durch zweifache Integration
der auftretenden Beschleunigungen bestimmt wir.
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Bei diesem Verfahren ist der jeweilige Ort des Fahrzeuges jeweils
in zwei verschiedenen, vorzugsweise zueinander rechtwinkligen Richtungen durch kartesische
Koordinaten (x, y) gegeben, und die Gleichung der Bahnlourve lautet y f (x). In
allen diesen Fällen läßt sich das Verfahren der Erfindung entsprechend dem oben
beschriebenen Ausführungsbeispiel anwenden.
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PATEXTAXSPRCCHE: I. Verfahren zum Steuern eines Fahrzeuges längs
einer vorgegebenen Bahn in Zusammenarbeit mit zwei erdfesten, vom Fahrzeug anpeilbaren
Punkten, z. 13. zwei Drehfunl;feuern, zu welchen auf dem Fahrzeug laufend die Richtungen
undtoder Entfernungen bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil einer
zweiteiligen Vergleichseinrichtung durch ein für eine bestimmte innezuhaltende Fahrzeugbahn
die zwischen den gleichzeitig gemessenen Richtungs- oder Entfernungswerten (des
Fahrzeuges zu den beiden anpeilbaren Punkten) bestehende Abhängigkeit verkörperndes
Kurvengetriehe entsprechend dem laufend zu dem einen anpeilbaren Punkt gemessenen
Wert, z. 13. Azimutwinkel ct, und der andere Teil entsprechend dem laufend zu dem
anderen anpeilbaren Punkt gemessenen Wert, z. B. Azimutwinkel 7, einstellbar ist
und durch Relativerschiebung beider Teile gegeneinander die Abweichung des Fahrzeuges
vom Sollkurs feststellbar ist, welche Abweichung als Richtwert für die Ruderiegvorrichtung
des Fahrzeuges verwendet wird.