DE2436641A1 - METHOD, SYSTEM AND DEVICE FOR TRACKING AND DETERMINING AN OBJECT - Google Patents
METHOD, SYSTEM AND DEVICE FOR TRACKING AND DETERMINING AN OBJECTInfo
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Verfahren, System und Vorrichtung zur Verfolgung und Lagebestimmung eines ObjektesMethod, system and device for tracking and determining the position of an object
Die Erfindung bezieht sich auf ein System oder Verfahren zur Lagebestimmung oder Verfolgung eines Objektes, wobei ein Vektorfeld, das eine Nutation um eine Achse, die der Richtungsvektor genannt wird, ausführt, dazu benutzt wird, das räumlich entfernte Objekt aufzuspüren oder lagemässig zu bestimmen. Die Erfindung bezieht sich ebenso auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines solchen Nutationsfeldes, insbesondere eines magnetischen Nutationsfeldes, welchesThe invention relates to a system or method for determining the position or tracking of an object, with a vector field that is a nutation around an axis that the Direction vector is called, executes, is used to track down the spatially distant object or positionally to determine. The invention also relates to a device for generating such a nutation field, in particular a magnetic nutation field, which
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eine Nutation um eine Achse ausführt, die Richtungsvektor genannt wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein System oder Verfahren, mit dem sowohl die relative Translation, als auch die relative Winkelorientierung das Koordinatensystems des entfernten Objektes relativ zu dem Bezugskoordinatensystem der Vorrichtung,die das Nufcaticnsfeld erzeugt und ausrichtet, bestimmt werden kann.executes a nutation around an axis, the direction vector is called. In particular, the invention relates to a system or method with which both the relative Translation, as well as the relative angular orientation, the coordinate system of the distant object relative to the Reference coordinate system of the device that the Nufcaticnsfeld generated and aligned, can be determined.
Die Verwendung von orthogonalen bzw. rechtwinkelig zueinander ausgerichteten Spulen zur Erzeugung und Abtastung magnetischer Felder ist bekannt. Solche Vorrichtungen wurden vor allem auf dem Gebiet der Vermessung magnetischer Felder verwendet, um beispielsweise ein besseres Verständnis ihrer Eigenschaften zu gewinnen. Wenn ein magnetisches Feld ura eine Erzeugerspule durch Verwendung von Abtastspulen sehr genau vermessen werden kann, ist umgekehrt offensichtlich, daß es möglich sein muß, die Lage von Abtästspulen relativ zu den Erzeugerspulen auf der Grundlage des Abtastsignaleü festzulegen. Das dabei auftauchende Problem besteht ,jedoch darin, daß es mehr als eine Lage und/oder Orientierung innerhalb eines üblichen magnetischen Dipolfeldes gibt, welche die gleichen charakteristischen Abtastsignale in einer Abtastspule ergeben. Um ein magnetisches Feld zu diesem Zweck zu verwenden, müssen daher zusätzliche Informationen geschaffen werden.The use of orthogonal or right-angled coils for generation and scanning magnetic fields are known. Such devices were mainly used in the field of measuring magnetic fields used, for example, to gain a better understanding of their properties. When a magnetic field ura a generator coil can be measured very precisely by using scanning coils, it is obvious conversely, that it must be possible to determine the position of scanning coils relative to the generating coils on the basis of the scanning signal to be determined. The problem that arises is, however, that there is more than one location and / or orientation within a common magnetic dipole field, which have the same characteristic scanning signals in a sensing coil. In order to use a magnetic field for this purpose, additional information is required be created.
Ein Versuch zur Gewinnung zusätzlicher Information zu diesem Zweck besteht darin, die Erzeuger und Abtastspulen gegeneinander zu bewegen, wie es in der US-PS 3 644 825 beschrieben ist. Die Bewegung der Spulen erzeugt Veränderungen in dem magnetischen Feld und die sich daraus ergebenden Signale können verwendet werden, um die Richtung der Bewegung oder die relative Lage der Erzeuger- und Abtastspulen zu bestimmen.One attempt to obtain additional information for this purpose is to contrast the generators and sensing coils with one another as described in U.S. Patent 3,644,825. The movement of the coils creates changes in that magnetic field and the resulting signals can be used to determine the direction of movement or determine the relative position of the generator and sensing coils.
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Obwohl diese Lösung einiges der Doppeldeutigkeit der Lagebestimmung auf der Basis des abgetasteten Feldes nimmt, ist die Genauigkeit der Bestimmung abhängig von der relativen Be wegung und kann ohne relative Bewegung überhaupt nicht verwendet werden.Though this solution does some of the ambiguity of orientation on the basis of the scanned field, the accuracy of the determination depends on the relative Be movement and cannot be used at all without relative movement.
Ein weiterer Versuch,, der vorgeschlagen wurde, um die benötigte zusätzliche Information zu erhalten, trifft die Rotation des magnetischen Feldesr wie es von Kalmus in "A New Guiding and Tracking System", IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics, März 1962, Seiten 7 bis 10 beschrieben wurde. Um die Entfernung zwischen der Erzeuger- und Abtastspule genau zu bestimmen, erfordert diese Lösung, daß die relative Lage der Spulen zueinander gleich bleibt. Das System kann daher nicht dazu verwendet werden, um sowohl die relative Translation, als auch die relative Orientierung der Erzeuger- und Abtastspulen zu bestimmen.Another attempt that has been proposed to obtain the additional information needed involves the rotation of the magnetic field r as described by Kalmus in "A New Guiding and Tracking System", IRE Transactions on Aerospace and Navigational Electronics, March 1962, pp 7-10. In order to determine the distance between the generating and scanning coils precisely, this solution requires that the relative position of the coils to one another remains the same. The system therefore cannot be used to determine both the relative translation and the relative orientation of the generator and sensing coils.
Obwohl die einschlägige Technik zur Lagebestimmung und Verfolgung entfernter Objekte hoch entwickelt ist, besteht immer noch ein Bedürfnis für einen Weg, die relative Winkelorientierung eines entfernten Objektes zusätzlich zur Lagebestimiüung oder Aufspürung des Objektes zu bestimmen. Es besteht weiterhin ein Bedürfnis für eine Vorrichtung, ein System oder ein Verfahren, das mit Signalen arbeitet, die von einem Fühler abgetastet werden, wobei die Signale von einem Nutationsfeld stammen, das von einer einzigen Vorrichtung erzeugt wurde, und das fähig ist, neben einer andauernden Lagebestimmung oder Verfolgung des entfernten Objnktes und Abtasters, zusätzlich und gleichzeitig eine kontinuierliche Bestimmung der relativen winkelmässigen Although the related art for determining and tracking distant objects is sophisticated, there is still a need for a way to determine the relative angular orientation of a distant object in addition to locating or tracking the object. There remains a need for an apparatus, system, or method that operates on signals sensed by a probe, the signals originating from a nutation field generated by a single device and capable of adjacent one permanent position determination or tracking of the distant object and scanner, in addition and at the same time a continuous determination of the relative angular
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Orientierung des entfernten Objektes und Abtasters vorzunehmen. Orientation of the distant object and scanner.
Es ist. demnach eine Aufgabe der Erfindung, ein System und Verfahren zu schaffen, das sowohl die relative Translation bzvr. Verschiebung, als auch die relative Orientierung des entfernten Objektes durch Verwendung eines Vektorfeldes bestimmen kann.It is. accordingly an object of the invention, a system and method to create that both the relative translation or. Displacement, as well as the relative orientation of the distant Object can be determined by using a vector field.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung die relative Translation und Orientierung entfernter Objekte durch Verwendung eines Feldes auf kontinuierliche Art und Weise zu bestimmen, so daß die Translation bzw. Verschiebung und Orientierung verfolgt werden kann und daher ständig bestimmbar ist.Another object of the invention is relative translation and orientation of distant objects by using a field in a continuous manner, so that the translation or shift and orientation can be followed and can therefore be continuously determined.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein System und Verfahren zur präzisen Lagebestimmung eines Objektes relativ zu einem Bezugskoordinatensystem von Mitteln zur Erzeugung eines Vektorfeldes zu schaffen.It is another object of the invention to provide a system and method for the precise determination of the position of an object relative to a reference coordinate system of means for generating a To create vector field.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein System zu schaffen, welches einen Richtungsvektor, der durch ein moduliertes Feld definiert wird, verwendet ., um ein Objekt sehr genau zu verfolgen.It is a further object of the invention to provide a system which comprises a directional vector which is modulated by a Field is used to track an object very closely.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung einen Generator bzw. Sender zu schaffen, der fähig zur elektronischen Erzeugung eines Feldes ist, das eine Nutation um einen bestimmten Richtungsvektor ausführt, und das in dem obigen System und Verfahren Verwendung findet.It is another object of the invention to provide a generator or transmitter capable of electronic generation of a field nutating about a particular direction vector in the above system and method Is used.
Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine wirksame Signalübermittlungstechnik zu schaffen, mit welcher dieIt is therefore a further object of the invention to provide an effective signal transmission technique with which the
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Messung der relativen Verschiebung bzw. Translation eines entfernten Objektes ( zwei Winkel) zusätzlich zur gleichzeigen Messung der relativen winkelmässigen Orientierung des entfernten Objektes (drei Winkel) möglich ist. Mit der Erfindung werden daher Mittel geschaffen, um fünf unabhängige Winkelmessungen unter Verwendung nur.einejr Vorrichtung zur Felderzeugung und nur einer Vorrichtung zur Feldabtastung auf dem entfernten bewegten Objekt, durchzuführen.Measurement of the relative displacement or translation of a distant object (two angles) in addition to pointing at the same time Measurement of the relative angular orientation of the distant object (three angles) is possible. With the In accordance with the invention, means are therefore provided for making five independent angle measurements using only one device Field generation and only one device for field scanning on the distant moving object to perform.
Die oben angeführten und miteinander in Verbindung stehenden Aufgaben können durch die Verwendung des Systems, Verfahrens und der das Feld erzeugenden Vorrichtung gelöst werden, die nachfolgend beschrieben werden. Die Erfindung basiert auf der Überlegung, daß die einzigen Stellen in einem Dipol-Nutationsfeld, an denen die Feldstärke in ihrer Größe unveränderlich bleibt, entlang der Nutationsachse liegen, die hier der Richtungsvektor genannt wird. Dieses Phänomen erlaubt eine sehr genaue Lagefeststellung oder Verfolgung eines entfernten Objektes, das nicht nur seinen Platz, sondern auch seine winkelmässige Orientierung ändert.The above and related tasks can be accomplished through the use of the system, method and the field generating device, which will be described below. The invention is based on the consideration that the only places in a dipole nutation field at which the field strength remains invariable in size, lie along the axis of nutation, which the direction vector is called here. This phenomenon allows a very precise location or tracking of a distant object that not only changes its place but also its angular orientation.
Das erfindungsgemäßes System weist Mittel zur Erzeugung eines gerichteten Nutationsfeldes auf, wie z.B. ein magnetisches Feld, das um einen Richtungsvektor rotiert. Weiterhin sind Mittel an dem entfernten Objekt, das verfolgt oder lagemä'ssig bestimmt v/erden soll, vorgesehen, um das Feld abzutasten. The system according to the invention has means for generating a directed nutation field, such as a magnetic field that rotates around a direction vector. Means are also provided on the remote object which is to be tracked or determined in terms of its position, in order to scan the field.
Wenn das System nur zur Lagebestimmung des Objektes benutzt werden soll, z.B. für kleine Störungen im Richtungswinkel, sind Mittel zur Erzeugung eines Signales vorgesehen, das auf dem abgetasteten Feld beruht, und die Lage des Objektes angibt . Wenn das System dazu verwendet wird, um das Objekt zu verfolgen, werden signalerzeugende Mittel zwischen denIf the system is only to be used to determine the position of the object, eg for small disturbances in the directional angle, means are provided for generating a signal which is based on the scanned field and which indicates the position of the object. When the system is used to track the object, signal generating means are placed between the
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Abtastmitteln und den felderzeugenden Mitteln eingeschaltet, die ein Signal an die felderzeugenden Mittel abgeben, das auf dem abgetasteten Feld beruht, um den Richtungsvektor des Nutationsfeldes auf die Abtastmittel zu richten bzw. nachzuführen. Vorzugsweise werden orthogonal gerichtete Spulen sowohl zur Erzeugung des Nutationsfeldes, das in diesem Fall ein elektromagnetisches Feld ist, als auch zum Abtasten des resultierenden Feldes verwendet.Sampling means and the field generating means switched on, which emit a signal to the field generating means, the is based on the scanned field in order to direct or track the direction vector of the nutation field on the scanning means. Preferably, orthogonally directed coils are used both for generating the nutation field, which in this case an electromagnetic field, as well as being used to sample the resulting field.
Nachstehend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnung beispielsweise beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown below with reference to FIG accompanying schematic drawing, for example. Show it
Fig. 1 die Geometrie einer einfachen Koordinaten-Transformation, die eine Rotation genannt wird;1 shows the geometry of a simple coordinate transformation called a rotation;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines einzelnen Rotationss-Operators nach Fig. 1, der Auflöser genannt wird;Figure 2 is a block diagram of a single rotation operator after Fig. 1, called the resolver;
Fig. 3 einen Schaltkreis, der einem zweidimensionalen magnetischen NutationsfeldfLn der Ebene einen Drehfreiheitsgrad von 360° gibt;3 shows a circuit which gives a two-dimensional magnetic nutation field in the plane a degree of freedom of rotation of 360 ° there;
Fig· Aa die Richtungswinkel, die für eine dreidimensionale Ausrichtung definiert werden;FIG. Aa the direction angles which are defined for a three-dimensional alignment; FIG.
Fig. Ab dea Schaltkreis, der den Ausrichtwinkeln der Fig. Aa entspricht;Fig. Ab dea circuit which corresponds to the alignment angles of Fig. Aa;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines bekannten Systems zur Erzeugung und Abtastung eines magnetischen Feldes;Fig. 5 is a schematic representation of a known system for generating and scanning a magnetic field;
Fig. 6 eine Darstellung der Signale, die bei dem System nachFig. 6 is a representation of the signals generated in the system according to
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Fig. 5 abgetastet werden;Fig. 5 are scanned;
Fig. 7 die schematische Darstellung eines Systems zur Durchführung der Erfindung, zur Bestimmung der Lage und Orientierung eines Objektes, das sich in einem zvreidimensionalen Raum bewegt;7 shows the schematic representation of a system for implementation of the invention, for determining the position and orientation of an object that is in a zvreidimensionalen Space moves;
Fig. 8 die Darstellung der Signale, die in dem System nach Fig. 7 abgetastet werden;Fig. 8 shows the representation of the signals which are sampled in the system of Fig. 7;
Fig. 9 Darstellung eines vereinfachten zweidimensionalen Systems, bei dem ein Zweispulengenerator und ein Zweispulenabtaster verwendet werden;9 illustration of a simplified two-dimensional Systems using a two-coil generator and a two-coil scanner;
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems, mit dem die Stellung und die winkelmässige Orientierung eines Objektes bestimmt werden können, das sich frei im zweidimensionalen Raum bewegt; undFig. 10 is a schematic representation of a system according to the invention, with which the position and the angular Orientation of an object can be determined that moves freely in two-dimensional space; and
Fig. 11 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems, mit dem die Stellung oder Richtung und die relative winkelmässige Orientierung eines Objektes bestimmt werden können, das sich im dreidimensionalen Raum mit bestimmten Einschränkungen bewegen kann.11 shows the schematic representation of a system according to the invention, with which the position or direction and the relative angular orientation of an object can be determined, which is in three-dimensional Can move space with certain restrictions.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines gerichteten, magnetischen Nutationsfeldes entlang eines Richtungsvektors weist wenigstens zwei rechtwinkelig zueinander gelagerte Spulen auf, durch welche die Erregerströme geschickt werden. Dieser Erregerstrom weist normalerweiseThe device according to the invention for generating a directed, magnetic nutation field along a direction vector has at least two at right angles to each other stored coils through which the excitation currents are sent. This excitation current normally exhibits
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eine bestimmte Trägerfrequenz auf, die mit einem Gleichstromsignal und/oder einem Wechselstromsignal moduliert ist. Diese Modulationsumhüllenden werden nachfolgend nur als Gleichstrom- oder Wechselstrorasignal bezeichnet. Das Wechselstromsignal hat die Nutationsfrequenz. Die Schaltung zur Lieferung eines Gleichstroms durch eine der Spulen und eines Wechselstroms durch wenigstens eine zusätzliche orthogonal gerichtete weitere Spule erzeugt ein magnetisches Nutationsfeld, dessen Richtungsvektor in der Richtung der Achse der Gleichstromspule liegt, oder, besser ausgedrückt, in der Richtung der Achse des Gleichstromfeldes. Die Amplitude der Nutation hängt von der relativen Amplitude des Wechselstrom- und Gleichstromsignals ab, die in den meisten Fällen mit gleicher Amplitude gewählt werden. Wenn das Objekt sich nur in zwei Dimensionen bewegen kann, braucht die Nutation nur ein einfaches Hin- und Herkippen in der Bewegungsebene zu sein. Dies kann durch ein Gleichstromsignal in einer der Spulen und ein Wechselstromsignal in der zweiten Spule erzeugt werden, wobei die Spulen beide in der Bewegungsebene liegen. Wenn sich das Objekt im dreidimensionalen Raum bewegen kann, führt die Nutation wünschenswert eine kegelförmige Bewegung um den Richtungsvektor des Feldes aus, wobei der Scheitel des Kegels am Schnittpunkt der Spulen liegt. Ein solches Nutationsfeld kann durch die Kombination eines Gleichstromsignals in einer der Spulen, eines Wechselstromsignals in einer zweiten Spule und eines weiteren Wechselstromsignals mit einer Phase, die das Quadrat der Phase des ersten Wechselstromsignals beträgt, in einer dritten Spule erzeugt werden, wobei alle drei Spulen in ihrer gegenseitigen räumlichen Anordnung orthogonal ausgerichtet sind.a specific carrier frequency associated with a DC signal and / or an alternating current signal is modulated. These modulation envelopes are only used below referred to as a DC or AC speed signal. The AC signal has the nutation frequency. The circuit for supplying a direct current through one of the coils and an alternating current through at least one additional orthogonal directed further coil generates a magnetic nutation field whose direction vector is in the direction of The axis of the DC coil lies, or, more precisely, in the direction of the axis of the DC field. The amplitude the nutation depends on the relative amplitude of the AC and DC signals, which in most cases can be chosen with the same amplitude. If the object can only move in two dimensions, it needs nutation just a simple tipping back and forth on the plane of movement to be. This can be generated by a direct current signal in one of the coils and an alternating current signal in the second coil with the coils both in the plane of motion lie. If the object can move in three-dimensional space, the nutation desirably leads to a cone-shaped one Movement around the direction vector of the field, with the apex of the cone at the intersection of the coils. Such a nutation field can be created by the combination of a direct current signal in one of the coils, an alternating current signal in a second coil and another AC signal with a phase equal to the square of the phase of the first AC signal is generated in a third coil, with all three coils in their mutual spatial arrangement are aligned orthogonally.
Sowohl bei dem oben beschriebenen zweidimensionalen, als auch dem dreidimensionalen Nutationsfeld, fällt der Richtungs-Both in the two-dimensional described above, as well as the three-dimensional nutation field, the directional
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vektor rait der Richtung der Achse des Gleichstromfeldes zusammen. Um dieses Nutationsfeld richtbar zu machen, müssen Signalaufbereitungsmittel, die als Koordinatentransforraationsschaltung bekannt sind auf ßezugssignale für die Wechselstrom- und Gleichstromerregung einwirken, um dem Nutationsfeld die gevmnschte Richtung zu geben. Nachfolgend wird eine kurze Diskussion der Koordinatentransformation, die als Rotation bekannt ist, als Grundlage . gegeben, um die Prinzipien, welche den Techniken der Erfindung zugrunde liegen, besser verständlich zu machen.vector rait the direction of the axis of the DC field together. In order to make this nutation field directable, signal processing means, as a coordinate transformation circuit are known to act on ßzugssignale for AC and DC excitation to the nutation field to give desired direction. Below is a brief Discuss the coordinate transformation known as rotation as a basis. given to the principles which the techniques of the invention are based, to make better understandable.
Die Transformierung eines Vektors durch leine Rotation von einem Koordinatensystem bzw. -rahmen in ein anderes Koordinatensystem bzw. -rahmen wird als Auflösung des Vektors von dem einen in das neue Koordinatensystem bezeichnet. Auflösen und Auflösung sind in diesem Zusammenhang Synonyme für Transformieren und Transformation. Der Operator, der die Komponenten eines gegebenen Vektors in einem Koordinatensystem bzw. -rahmen in seine Komponenten in einem anderen Koordinatensystem bzw» -rahmen transformiert, wobei die zwei Koordinatensysteme durch eine einfache Winkeldrehung ineinander übergehen, wird hier als ein Auflöser (Resolver) bezeichnet. Die Gleichungen, für diese Transformation sind folgende:The transformation of a vector by rotating it from one coordinate system or frame to another coordinate system or frame is used as the resolution of the vector from the one into the new coordinate system designated. In this context, dissolving and dissolving are synonyms for transforming and transforming. Of the Operator that divides the components of a given vector in a coordinate system or frame into its components transformed into another coordinate system or frame, the two coordinate systems being replaced by a simple Angular rotation merge into one another is referred to here as a resolver. The equations for this Transformation are the following:
= x^cosA + y^= x ^ cosA + y ^
sinAsinA
In diesem Fall ist die z^-Achse die Rotationsache. Die Gleichungen werden aus der in Fig. 1 dargestellten Geometrie leicht verständlich. Es muß beachtet v/erden, daß,In this case the z ^ -axis is the thing of rotation. the Equations can be easily understood from the geometry shown in FIG. 1. It must be noted that,
5 09809/1033 -1O-5 09809/1033 -1O-
wenn die zwei Komponenten, die von dem Resolver beeinflusst werden; positiv sind, die erste Komponente des positiven Paares.immer den positiven Sinusausdruck hat, wenn der Rotationswinkel positiv ist. Wenn der Rotationswinkel negativ ist, kehrt sich das Vorzeichen des Sinusaundruckec um. Eine geeignete Darstellung für einen Auflöser (Resolver) ist das in Fig. 2 gezeigte Blockbild, wobei in diesem Falle eine um die y-Achse negative Rotation gezeigt ist. Die y~Komponente wird daher von der Transformation nicht beeinflusst.. Diese Tatsache wird in der Darstellung dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente direkt durch den Block durchläuft, wogegen bei einem Block, der die Fig. 1 darstellen würde, die Z-.-Achse direkt durch den Block durchläuft. Diese Darstellung sollte als ein Signalfluß oder Blockdiagramm für Vektor-· komponenten angesehen werden, das insbesondere zur Beschreibung der Berechnungnstrategie nützlich ist, die erfindung3gemäß angewandt wird.if the two components affected by the resolver; are positive, the first component of the positive pair; always has the positive sine term when the angle of rotation is positive. If the angle of rotation is negative, the sign of the sinusoidal pressure is reversed. A suitable representation for a resolver is the block diagram shown in FIG. 2, in which case a negative rotation about the y-axis is shown. The y ~ component is therefore not affected by the transformation .. This fact is indicated in the diagram by the fact that the component passes directly through the block, whereas in a block would be the Figure 1, the Z -.. Axis runs straight through the block. This representation should be viewed as a signal flow or block diagram for vector components, which is particularly useful for describing the calculation strategy that is used according to the invention.
Das erfindungsgemäßes Verfahren beinhaltet die Erzeugung eines gerichteten Nutationfeldes, das eine Nutation um eine Richtungsvektor genannte Achse ausführt. Im zweidimensional en Fall wirktein einziger Auflöser auf die orthogonalen Wechselstrom- und Gleichstromkompcnenten des Bftzugsnutationsvektors der Erregung ein, um die geeignete Mischung von Wechselstrom und Gleichstrom in jeder der zwei Erzeugerspulen herzustellen, so daß der Richtungsvektor, zusammen mit dem gesamten magnetischen Nutationsfeld-Aufbau so gerichtet ist, daß ein Winkel mit der Bezugs-x-Achse gebildet wird, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Erregung für die zv/ei Erzeugerspulen, die notwendig ist, um den Richtungsvektor in die erforderliche Richtung zu bringen, die durch den Winkel A definiert ist, ist durch folgende Gleichungen bestimmt:The method according to the invention includes the generation of a directional nutation field that surrounds a nutation carries out an axis called a direction vector. Im two-dimensional In the case, a single resolver acts on the orthogonal AC and DC components of the train nutation vector of excitation to get the appropriate mix of AC and DC in each of the two generating coils so that the direction vector, together with the entire magnetic nutation field structure, is so directed is that an angle is formed with the reference x-axis as shown in FIG. The excitement for the zv / ei generator coils, which is necessary to bring the direction vector in the required direction, which is through the angle A is defined is determined by the following equations:
509809/1033509809/1033
- ΛΑ - · *U- ΛΑ - * U
Erregung für die X-Spule » (Gleichstrom)cosA -Excitation for the X coil »(direct current) cosA -
(Wechselstrom)sinA(Alternating current) sinA
Erregung für die Y-Spule = (Wechseltrom)cosA +Excitation for the Y coil = (alternating current) cosA +
(Gleichstrom) sin.A(Direct current) sin.A.
Die Rechenschaltung, die für eine genaue Ausrichtung des magnetischen Nutationsfeldes für den dreidimensionalen Fall dient, arbeitet im wesentlichen nach dem gleichen Prinzip wie im zweidimensionalen Fall. Der Bezugsnutationsvektor der Erregung besteht jetzt aus drei Komponenten: einem Gleichstrom- und zwei Wechselstromsignalen, die in quadratischer Abhängigkeit stehen. Der Richtungsvektor und dessen gesamter Nutationsmagnetfeldaufbau werden in jede gewünschte Richtung gebracht, die sich durch die Winkelgrößen A und B definieren läßt. Fig. 4 zeigt die Riehtgeometrie und die Rechenschaltung zur Koordinatentransformation; , die nötig ist, um die gewünschte Ausrichtung durch Einwirken auf die gegebenen drei Bezugserregersignale zu erhalten. Eine genauere Erklärung der Koordinatentransformationen, Berechnungen und Anwendungen wird von Kuipers, J. "Solution and Simulation of Certain Kinematics and Dynamics Problems Using Resolvers", Proceedings of the Fifth Congress of the International Association for Analog Computation, Lausanne, Schweiz, 28.8. bis 2.9.1967, Seiten 125 bis 134 beschrieben, worauf hier ausdrücklich Bezug genommen wird.The arithmetic circuit, which is used for a precise alignment of the magnetic nutation field for the three-dimensional case, works essentially on the same principle as in the two-dimensional case. The B e zugsnutationsvektor the excitation now consists of three components: a DC and two AC signals which are in square dependence. The direction vector and its entire nutation magnetic field build-up are brought into any desired direction, which can be defined by the angle sizes A and B. 4 shows the rectilinear geometry and the computing circuit for coordinate transformation; which is necessary to obtain the desired alignment by acting on the given three reference excitation signals. A more detailed explanation of the coordinate transformations, calculations and applications is given by Kuipers, J. "Solution and Simulation of Certain Kinematics and Dynamics Problems Using Resolvers", Proceedings of the Fifth Congress of the International Association for Analog Computation, Lausanne, Switzerland, 28.8. to 2.9.1967, pages 125 to 134, to which reference is expressly made here.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet die Erzeugung eines Feldes, welche eine Nutation um einen Richtungsvektor ausführt. Das erzeugte Feld wird in wenigstens zwei Achsen auf dem zu verfolgenden oder lagemässig zu bestimmenden Objekt abgetastet. Aus der ausgewerteten Beziehung zwischen den in jeder der orthogonalen Achsen abgetasteten Feldkompo-The method according to the invention includes the generation of a field which nutation around a direction vector executes. The generated field is in at least two axes on the to be tracked or to be determined in terms of position Object scanned. From the evaluated relationship between the field components scanned in each of the orthogonal axes
509809/1033 -12-509809/1033 -12-
nenten lässt sich die Stellung des Objektes relativ zum Richtungsvektor des Feldes bestimmen und daraus die Lage des Objektes. Um das Objekt zu verfolgen, wird der Richtungsvektor des Nutationsfeldes bewegt, bis das in zwei Achsen abgetastete Feld, nach geeigneter Auswertung der Koordinatentransformation anzeigt, daß das Objekt entlang des Richtungsvektors ausgerichtet ist. Dies hat stattgefunden, wenn das ausgewertete Signal, das von dem abgetasteten Nutationsfeld stammt, während des Nutationszyklus sich in seiner Größe nicht verändert. Wenn ein Richtfehler existiert, dann ist die Modulationsamplitude, die in der Zielrichtung abgetastet wird, proportional zur winkelmässigen Abweichung des Objektes vom Richtungsvektor. Genauer gesagt, die relative Phase der abgetasteten und ausgewerteten Signale verglichen mit den Bezugssignalen zur Felderzeugung ist proportional zur Ausrichtung, des Objektes relativ zum Richtungsvektor. Die Modulationsamplitude des abgetasteten und verarbeiteten Signales in Richtung des Richtungsvektors ist proportional zur Winkelab-· weichung vom Richtungsvektor.nents, the position of the object can be determined relative to the direction vector of the field and from this the position of the property. In order to track the object, the direction vector of the nutation field is moved until it is scanned in two axes Field, after suitable evaluation of the coordinate transformation, indicates that the object is aligned along the direction vector. This happened when that evaluated signal, which originates from the sampled nutation field, does not change in size during the nutation cycle changes. If a directional error exists, then the modulation amplitude sampled in the target direction is proportional to the angular deviation of the object from Direction vector. More precisely, the relative phase of the sampled and evaluated signals compared to the reference signals for field generation is proportional to the orientation, of the object relative to the direction vector. The modulation amplitude of the sampled and processed signal in The direction of the direction vector is proportional to the angle · deviation from the direction vector.
Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß der Richtungsvektor das Objekt kontinuierlich verfolgen kann. Dies resultiert in zwei Winkelmessungen, welche die Lage des Objektes definieren. Die Bestimmung der winkelmässigen Orientierung des Objektes ist jedoch davon völlig unabhängig. Die Orientierung des Objektes wird im allgemeinen durch drei Eulersche Winkel definiert (siehe auch die Literaturstelle von Kuiper), die relativ zum Bezugskoordinatensystem des Erzeugers bzw. Generators gemessen werden. Zwei der drei Fehlermesßungen der Winkelorientierung sind proportional zu beliebigen Projektionen der abgetasteten und ausgewerteten Gleichstromfeldkomponenten, die in Koordinatenrichtungen der Ebene existieren, die senkrecht zur Zeigerichtung verläuft undIt can be seen from the above explanation that the direction vector can continuously track the object. This results in two angular measurements, which define the position of the object. The determination of the angular However, the orientation of the object is completely independent of this. The orientation of the object is generally given by three Euler's angle is defined (see also the Kuiper reference), which is relative to the reference coordinate system of the Generator or generator are measured. Two of the three angular orientation error measurements are proportional to any projections of the scanned and evaluated direct current field components, which are in coordinate directions of the Plane exist that is perpendicular to the pointing direction and
- 13 509809/1033 - 13 509809/1033
.η-.η-
die im Betrag größer Null sind. Die dritte Fehlermessung für die Winkelorientierung ist proportional zur relativen Phase der abgetasteten und ausgewerteten Nutationssignale in dieser orthogonalen Fläche, verglichen mit der Bezugserregung der Nutation der Erzeuger- bzw. Generatormittel. which are greater than zero in amount. The third error measurement for the angular orientation is proportional to the relative Phase of the sampled and evaluated nutation signals in this orthogonal surface compared with the reference excitation of the nutation of the generating or generator means.
Dieses System, die Vorrichtung zur Erzeugung eines Nutationsfeldes um einen Richtungsvektor und das Verfahren ermöglichen es ein entferntes Objekt sehr genau lagemässig zu bestimmen und zu verfolgen, sowohl hinsichtlich seiner Stellung als auch seiner Winkeiorientierung. Obwohl die Erfindung bei einer großen Vielzahl von Situationen, worin die lagemässige Bestimmung entfernter Objekte oder Nachführung von Koordinaten, zusätzlich zu den Orientferungswinkeln des Objektes erforderlich ist, Anwendung finden kann, ist die Erfindung nach einer bevorzugten Ausführungsform zur Verwendung in der Nachführung der Lage und winkelmässigen Orientierung eines Beobachtungskopfes, insbesondere dessen Sichtlinie für visuell gekoppelte Steuersysteme gedacht. Im Rahmen dieser begrenzten Anwendung ist die Sichtrichtung des Piloten ständig und genau relativ zu den Koordinaten des Flugzeuges definiert. Viele andere Anwendungen, wie z.B. automatische Landung oder Rendezvousmanöver, ferngesteuerte Fahrzeuge, selbsttätig gesteuerte Luft- zu Luftbetankung, Formationskontrolle, etc. sind alles Anwendungen, die in einem weit größeren Bereich arbeiten. Im allgemeinen ist jede Situation, bei der zwei oder mehrere unabhängige Körper oder Koordinatensysteme vorkommen und wobei es erwünscht ist, nicht nur die relative Entfernung oder Lage der Systeme zu messen, zu verfolgen und genau zu kontrollieren, sondern wo es auch erwünscht ist, gleichzeitig und mit der gleichen Vorrichtung eine genaue Messung, Verfolgung und Steuerung der relativenThis system, the device for generating a nutation field around a direction vector and the method make it possible to determine the position of a distant object very precisely and to follow, both in terms of its position and its angular orientation. Although the invention at a wide variety of situations in which the positional determination of distant objects or the tracking of coordinates, In addition to the orientation angles of the object required, the invention can be used according to a preferred embodiment for use in tracking the position and angular orientation of an observation head, in particular its line of sight, intended for visually coupled control systems. As part of this Limited application is the direction of view of the pilot constantly and precisely relative to the coordinates of the aircraft Are defined. Many other applications, such as automatic landing or rendezvous maneuvers, remote-controlled vehicles, self-controlled air-to-air refueling, formation control, etc. are all applications that go a long way work larger area. In general, any situation is where two or more independent bodies or coordinate systems occur and where it is desirable not only to measure the relative distance or position of the systems, to track them and precisely controlled, but where it is also desired, simultaneously and with the same device accurate measurement, tracking and control of the relative
- 14 -5 09 809/1033- 14 -5 09 809/1033
./Mf../Mf.
Winkelorientierung der beiden Systeme durchzuführen, ein potentieller Anwendungsfall für die Erfindung.Perform angular orientation of the two systems, a potential application for the invention.
In Fig. 5 sind die Elemente eines bekannten Systems zur Erzeugung und Abtastung eines magnetischen Feldes gezeigt, die nicht dazu verwendet werden können ein Objekt lagemässig und in seiner Orientierung zu bestimmen oder zu verfolgen. Das bekannte System weist einen Magnetfeldgenerator 10 mit einer Spule 12 auf, bei der Kupfer oder ein anderer leitender Draht auf einen magnetischen, vorzugsweise isotrop en Kern 14 gewickelt ist. Eine Stromquelle 16 für den Strom i mit beliebiger Trägerfrequenz ist mit der Spule 12 über die Leitungen 18 und 20 verbunden. Der Abtaster 22 v/eist eine Spule 24 auf, die ebenfalls vorzugsweise auf einen magnetischen isotropen Kern 25 gewickelt ist, wie im Falle der Erzeugerspule 12. Abtastschaltkreise 26 sind mit der Spule 24 über die Leitungen 28 und 30 verbunden.In Fig. 5 are the elements of a known system for generating and magnetic field scanning are shown that cannot be used to position an object and to determine or track its orientation. The known system has a magnetic field generator 10 a coil 12, in which copper or another conductive wire on a magnetic, preferably isotropic Core 14 is wound. A current source 16 for the current i with any carrier frequency is connected to the coil 12 via the Lines 18 and 20 connected. The scanner 22 is one Coil 24, which is also preferably wound on a magnetic isotropic core 25, as in the case of the generator coil 12. Sampling circuitry 26 is connected to coil 24 via lines 28 and 30.
Beim Gebrauch der bekannten Vorrichtung erzeugt der durch die Spule 12 geleitete Strom i ein magnetisches Feld 32. Die Spule 24 des Abtasters 22 wird an verschiedene Stellen um die Erzeugerspule 12 herum bewegt und die in der Spule 24 induzierten Ströme stellen ein Maß für die Stärke de£; magnetischen Feldes 32 an den verschiedenen Stellen dar. Die Spule 24, dessen Koordinatenachsen 33, 35 und 37 sind, kann in Bezug auf die Bezugskoordinatenachsen 34, 36 und 38, zusätzlich zu einer einfachen Verschiebung der Spule in den Richtungen X, Y und/oder Z, unterschiedliche relative Winkelstellungen durch Drehungen um diese Achsen x, y und/ oder ζ einnehmen.When using the known device, the current i conducted through the coil 12 generates a magnetic field 32. The coil 24 of the scanner 22 is moved to various locations around the generator coil 12 and those in the coil 24 induced currents represent a measure of the strength of the £; magnetic field 32 at the various points. The coil 24, the coordinate axes of which are 33, 35 and 37, can with respect to the reference coordinate axes 34, 36 and 38, in addition to a simple displacement of the coil in the directions X, Y and / or Z, different relative Assume angular positions by rotating around these axes x, y and / or ζ.
In Fig. 6 ist das Ausgangssignal und Spule 24 gezeigt, das von der Abtastschaltung 26 für ein gegebenes Feld 32 aufge-In Fig. 6 the output signal and coil 24 is shown, which is picked up by the scanning circuit 26 for a given field 32.
509809/1033 ~15~509809/1033 ~ 15 ~
nommeri wird, das von dem durch die Spule 12 fließenden Strom i erzeugt wird, wenn die Spule 24 um 360° entweder um die y-Aehse 35 oder die z-Achse 37 gedreht wird. Die Spule 24 könnte jedoch an unzählbar vielen Stellen im Umkreis der Spule 12 verschoben werden, wo die obigen Drehungen der Spule 24 wiederum das gleiche Ausgangssignal ergeben wurden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Dies demonstriert auf einfache Art und Weise, warum die bekannte Vorrichtung nicht darin verwendet werden kann um eine einzigartige relative Lage oder eine relative Winkelorientierung der Abtastspulen 24 in Bezug auf Spule 12 zu definieren.nommeri is that of the flowing through the coil 12 Current i is generated when the coil 24 is rotated through 360 ° either about the y-axis 35 or the z-axis 37. the Coil 24 could, however, be moved in innumerable places around the coil 12, where the above Rotations of the spool 24 would in turn result in the same output signal, as shown in FIG. this demonstrates in a simple manner why the known device cannot be used in a unique way to define a relative position or a relative angular orientation of the sensing coils 24 with respect to the coil 12.
In den Fig. 7 und 8 ist Spule 12 gezeigt, welche dem Feld 32 eine Nutation im Sinne einer einfachen Kippbewegung erteilt, die durch Nutationraittel 44 erzeugt v/erden, die mit der Spule 12 über Leitung 46, durch einen vorbestimmten Winkel 48, z.B. 45°f verbunden sind. Die resultierenden Ausgangskurven, wie sie von der Schaltung 26 abgetastet v/erden, sind in Fig. 8 gezeigt. Die Verschiebung bzw. Translation und Dreh bewegungen sind auf die X-Y Ebene beschränkt. Die Kurven der Fig. 8 zeigen die der Erfindung zugrunde liegende Methode. In Fig. 7 sind zwei aufeinander senkrecht stehende Winkelorientierungen für die Abtastspule 24 gezeigt. In jede dieser beiden Orientierungen wird im allgemeinen eine Wechselstrom- und eine Gleichstromkomponente in Spule 24 induziert. Wenn Spule 24 mit der y-Achse fluchtet, die orthogonal zur Richtungsachse 50 sein soll, besteht das induzierte Signal bei der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz aus einer Wechselstromkomponente vom Wert Null und einer Gleichstromkomponente ebenfalls vom Wert Null. Wenn die Spule 24 mit der x-Achse ausgerichtet ist, die mit der Richtungsachse 50 zusammenfällt, besteht das induzierte Signal aus In FIGS. 7 and 8, coil 12 is shown, which gives field 32 a nutation in the sense of a simple tilting movement, which is generated by nutation means 44 which are connected to coil 12 via line 46 through a predetermined angle 48, e.g. 45 ° f are connected. The resulting output curves as sampled by circuit 26 are shown in FIG. The shift or translation and rotary movements are limited to the XY plane. The curves in FIG. 8 show the method on which the invention is based. In Fig. 7, two mutually perpendicular angular orientations for the scanning coil 24 are shown. In either of these two orientations, an AC and a DC component are generally induced in coil 24. When coil 24 is aligned with the y-axis, which should be orthogonal to directional axis 50, the induced signal at the underlying nutation frequency consists of an alternating current component with the value zero and a direct current component also with the value zero. When the coil 24 is aligned with the x-axis which coincides with the directional axis 50, the induced signal consists of
- 16 509809/1033 - 16 509809/1033
der gesamten Gleichstromkomponente und wiederum einer Wechselstromkomponente vom Wert Null "bei der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz. Die beiden wichtigen Signale zur Bestimmung der relativen Orientierung und Translation bzw. Verschiebung sind das in Spule 24 induzierte Gleichstromsignal, wenn diese in der y-Stellung ist und das Wechselstromsignal in der x-Stellung. Beide sind Null, wie in den ersten beiden Kurven der Fig. 8 dargestellt ist, wenn kein Orientierungs- oder Translationsfehler existiert.of the total direct current component and, in turn, an alternating current component of the value zero "at the underlying Nutation frequency. The two important signals for determining relative orientation and translation or displacement are the direct current signal induced in coil 24, when this is in the y position and the AC signal in the x position. Both are zero as shown in the first two curves of FIG. 8, if there is no orientation or translation error exists.
Wenn ein Translations- bzw. Verschiebungsfehler existiert, dann wird die Abtastspule 24 in der x-Stellung ein Wechselstromsignal 47 mit der zugrundeliegenden Nutationsfrequenz abtasten. Die Größe dieses Signals ist proportional der Größe des Translationsfehlers; seine Phase entweder 0° oder 180° zeigt die Richtung des Fehlers an.If a translational shift or error exists, then the sensing coil 24 is a W e chselstromsignal 47 scanning in the x-position with the underlying nutation frequency. The size of this signal is proportional to the size of the translation error; its phase either 0 ° or 180 ° indicates the direction of the fault.
Wenn ein Orientierungsfehler existiert, tastet die Abtastspule 24 in der y-Stellung ein Gleichstromsignal 45 ab. Die Größe und Polung dieses Gleichstromsignals ist ein Maß für die Größe und Richtung des Orientierungsfehlers.If an orientation error exists, the scanning coil 24 scans a direct current signal 45 in the y position. The size and polarity of this direct current signal is a measure of the size and direction of the orientation error.
Die Vorrichtung nach Fig. 7 ermöglicht die Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Lage und Orientierung der Spule'24 durch abwechselndes Ausrichten der Spule 24 entlang der x- und y-Achsen, wobei vorausgesetzt wird, daß die Freiheitsgrade der Bewegung der Spule 24 so sind, daß diese abwechselnd mit der x- und y-Achse zusammenfällt. Wenn eine Bewegung in Richtung der X-, Y- und Z-Richtung stattfindet, d.h. in allen drei Dimensionen, dann ist mehr als eine einfache ebene Nutation in der X-, Y-Fläche erforderlich, um die Bewegung zuThe device according to FIG. 7 enables the method according to the invention to be carried out for determining the position and orienting the coil 24 by alternately aligning the coil 24 along the x and y axes, wherein It is assumed that the degrees of freedom of movement of the coil 24 are such that these alternate with the x and y-axis coincides. When there is movement in the X, Y and Z directions, i.e. in all three Dimensions, then more than a simple planar nutation in the X, Y plane is required to allow the movement
- 17 509809/Ί033 - 17 509809 / Ί033
charakterisieren, wie mit größerer Ausführlichkeit nachfolgend beschrieben werden wird. In der X-Y«-Ebene ist es jedoch weit einfacher zwei orthogonal zueinander angeordnete Spulen , wie bei der Vorrichtung nach Fig. 9 zu verwenden, als die Lage der Spule dauernd zu verändern. Spule 24 von Fig. 7 wurde daher durch die orthogonal angeordneten Spulen 52 und 54 ersetzt, die Jede mit Äbtastschaltungen 26 durch Leitungen 56 und 58 bzw. 60 und 62 verbunden sind. Während die Nutation des Feldes 32 in Fig. 7 durch den Winkel 48 durch jede geeignete Methode erreicht werden kann, wie beispielsweise durch Mittel 44, die der Spule 12 in Fig. 7 eine mechanische Nutationsbewegung erteilen, wird diese am besten elektrisch unter Verwendung eines Spulenpaares 64 und 66 erzeugt, die ebenfalls orthogonal zueinander angeordnet sind. Stromquellen 68 und 70 sind mit jeder dieser Spulen durch Leitungen 72 und 74 bzw. 76 und 78 verbunden, wie gezeigt ist, liefert die Stromquelle 68 ein Gleichstromsignal i an Spule 64 und Stromquelle 70 liefert ein Wechselstromsignal, z.B. Msin Wt an Spule 66. Diese Signale können entweder einfache Gleichstrom- und Wechselstromsignale sein, oder können beide einer geeigneten Trägerfrequenz, wie z.B. 10 Kilohertz überlagert sein. In diesen Fällen beziehen sich die Ausdrücke Wechselstrom und Gleichstrom auf die Modulationsumhüllende, die jede Kurve definiert. In jedem Fall wird das sich ergebende Magnetfeld in der Vorrichtung nach Fig. 9 eine Nutation um eine Richtachse 80 ausführen, die immer mit der Achse der Spule 64 zusammenfällt, wenn das Wechselstromsignal in Spule 66 ein alternierendes Magnetfeld erzeugt, das vektoriell zu dem Magnetfeld addiert wird, das vom Gleichstromsignal in Spule 64 erzeugt wird.characterize, as will be described in greater detail below. It is in the X-Y «plane however, it is far easier to use two coils arranged orthogonally to one another, as in the device according to FIG. 9, than constantly changing the position of the coil. Coil 24 of Fig. 7 was therefore arranged orthogonally by the Replaces coils 52 and 54 each connected to sensing circuits 26 by lines 56 and 58 and 60 and 62, respectively. While the nutation of field 32 in Fig. 7 through angle 48 can be achieved by any suitable method, as for example by means 44 which impart a mechanical nutating motion to the coil 12 in FIG this is best generated electrically using a pair of coils 64 and 66, which are also orthogonal to one another are arranged. Current sources 68 and 70 are connected to each of these coils by leads 72 and 74 and 76 and respectively 78, as shown, current source 68 provides a DC signal i to coil 64 and current source 70 provides an AC signal, e.g., Msin Wt, to coil 66. These signals can be either simple DC and AC signals, or both may be superimposed on a suitable carrier frequency, such as 10 kilohertz be. In these cases the terms alternating current and direct current refer to the modulation envelope, the each curve is defined. In either case, the resulting magnetic field in the device of Figure 9 becomes nutation run about a directional axis 80 which always coincides with the axis of the coil 64 when the AC signal an alternating magnetic field is generated in coil 66, which is vectorially added to the magnetic field generated by the direct current signal is generated in coil 64.
- 18 -- 18 -
509809/1033509809/1033
In der Praxis ist ein Objekt, auf dem orthogonal zueinander angeordnete Abtastspulen 52 und 54 befestigt sind, frei zur Bewegung in der Ebene, die durch die Achsen der Spulen definiert ist. Wenn das System zur Nachführung oder Verfolgung des Objektes bestimmt ist, sollten die Erzeugerspulen 64 und 66 die Fähigkeit zur Erzeugung eines Magnetfeldes haben, das eine Nutation um einen Richtungsvektor 80 ausführt, mit einer von Scheitel zu Scheitel gemessenen Winkelnutationsamplitudo 49, wobei der Richtungsvektor 80 nicht mit der Achse der Spule 64 übereinstimmt. Solche Magnetfelder können durch Einspeisung geeigneter Mischungen von Wechselstrom und Gleichstromsignalen in die Spulen 64 und Spulen 66 erzeugt v/erden. Wie bereits früher beschrieben wurde, hängt die Amplitude 49 des Nutationswinkels von der relativen Amplitude dor Bezugsgleichstrom- und Wechselstromquellen 68 bzw. 70 ab. Der Winkel den der Richtungsvektor 80 mit der Bezugs-x-Achse der Spule 64 bildet, wird von dem Mischprozeß bestimmt, der von der Auflöserschaltung durchgeführt wird oder dem Prozeß, der in der zu Fig. 3 gehörenden Beschreibung vorgeschlagen wurde, und der in die Leitungen 72, 74 bzw. 76 und 78 zwischen den Quellen 68 und 70 bzw. Spulen 64 und 66 eingeschaltet wird. Der Auflöser arbeitet mit festgelegten Gleichstrora- und Wechselstrombezugssignalen von den Quellen 68 und 70, sodaß die aufbereiteten Signale, die vom Auflöser zur Erregung der Erzeugerspulen 64 und 66 ausgehen, nunmehr die Fähigkeit haben, den Richtungsvektor 80 des Nutationsfeldes auf jeden gewünschten Winkel A über volle 360° in Übereinstimmung mit den folgenden Gleichungen einzurichten:In practice, an object on which orthogonally arranged scanning coils 52 and 54 are mounted is free to move in the plane defined by the axes of the coils. If the system is intended to track the object, the generator coils 64 and 66 should have the ability to generate a magnetic field that nutates about a direction vector 80 with an angular mutation amplitude 49 measured from vertex to vertex, where the direction vector 80 does not coincides with the axis of the coil 64. Such magnetic fields can be generated by feeding suitable mixtures of alternating current and direct current signals into the coils 64 and coils 66. As described earlier, the amplitude 49 of the nutation angle depends on the relative amplitude of the reference DC and AC sources 68 and 70, respectively. The angle that the direction vector 80 forms with the reference x-axis of the coil 64 is determined by the mixing process performed by the resolver circuit or the process suggested in the description accompanying FIG Lines 72, 74 and 76 and 78 are switched on between sources 68 and 70 and coils 64 and 66, respectively. The resolver operates with fixed Gleichstrora- and AC reference signals from the sources 68 and 70, sod a ß the processed signals output from the resolver to the excitation of the generator coils 64 and 66, now have the capability of the direction vector 80 of the Nutationsfeldes to any desired angle A set up over a full 360 ° in accordance with the following equations:
Erregung der Spule 64 » (Gleichstrom)cosA - (Wechselstrom)Excitation of the coil 64 »(direct current) cosA - (alternating current)
sinAsinA
Erregung von Spule 66 = (WechselstromJcosA + (Gleichst rom) sinAExcitation of coil 66 = (AC JcosA + (DC st rom) sinA
- 19 509809/1033 - 19 509809/1033
Um eine ausreichende Information zur Verfolgung bzw. Nachführung der Lage und winkelmässigen Orientierung eines Objektes mit daran angebrachten Abtastspulen 52 und 54 in einer Fläche zu erhalten, sollten die Abtastschaltungen 26 die Fähigkeit haben, nach Durchführung der Koordinatenrotation der in den Abtästspulen 52 und 54 induzierten Signale die Wechselstromfehlerkomponente in dem Richtungs-. vektor und die Gleichstromfehlerkomponente in der Richtung orthogonal zum Richtungsvektor festzustellen. Die relative Phase und Größe des oben erwähnten Wechselstromfehlers ist proportional zur Richtung und Größe des Richtfehlers. Die Polarität und Größe der oben erwähnten Gleichstromfehlerkomponente ist proportional zur Richtung und Größe des Fehlers im berechneten Orientierungswinkel des entfernten Objektes. Diese zwei Fehlersignale, die proportional zum Winkelfehler im Richtwinkel und bzw. zum Winkelfehler im relativen Orientierungswinkel des Objektes sind,—werden dazu verwendet um Korrekturen in der vorausgegangenen Messung dieser zwei Winkel durchzuführen. Der Wechsel in Richtwinkel verschiebt den Richtungsvektor, so lange, bis die Abtastspulen 52 und 54 danach ausgerichtet sind, wobei dann das Wechselstromfehlersignal, gemessen in der Richtung des Richtungsvektors 80 auf Null geht. Der bezeichnete Wechsel, der für den Orientierungswinkel erforderlich ist, verbessert oder korrigiert den berechneten Orientierungswinkel, der die relative Koordinatenbeziehung zwischen dem Koordinatensystem der Erzeugerspulen 64 und 66 und dem Koordinatensystem der Abtastspulen 52 und 54 darstellt. Wenn diese Beziehung in dem Signaljaufbereiter auf geeignete Weise von dem Orientierungswinkelauflöser - o- dargestellt wird, dann wird auch das Gleichstromfehlersignal in der Richtung orthogonal zum Richtungsvektor 80 zu Null werden. Zusammenfassend und mit Bezugnahme auf Fig. 10 wird eine erfindungsgemäße Vor-To provide sufficient information for tracking or tracking the position and angular orientation of an object with scanning coils 52 and 54 attached thereto in one area, the scanning circuits 26 have the ability, after performing the coordinate rotation of the induced in the scanning coils 52 and 54 Signals the AC error component in the directional. vector and the DC error component in the direction to be determined orthogonal to the direction vector. The relative phase and magnitude of the AC fault mentioned above is proportional to the direction and size of the alignment error. the The polarity and magnitude of the DC error component mentioned above is proportional to the direction and magnitude of the Error in the calculated orientation angle of the distant object. These two error signals, which are proportional to the Angular errors in the directional angle and / or to the angular error in the relative orientation angle of the object - will be added used to make corrections in the previous measurement of these two angles. The change in straightening angle shifts the direction vector until the sensing coils 52 and 54 are aligned thereafter, in which case the AC error signal measured in the direction of direction vector 80 goes to zero. The marked change, required for the orientation angle improves or corrects the calculated orientation angle which the relative coordinate relationship between the coordinate system of the generator coils 64 and 66 and the coordinate system of sensing coils 52 and 54. If this relationship in the signal jumper is appropriate from the Orientation angle resolver - o- is displayed, then becomes also the DC error signal in the direction orthogonal to direction vector 80 will become zero. In summary and with reference to FIG. 10, a method according to the invention is
509809/1033 " 2° "509809/1033 " 2 °"
richtiang sum kontinuierlichen Nachführen oder Verfolgen der relativen Stellung oder Richtung und der relativen winkelmässigen Orientierung zwischen zwei unabhängigen Körpern in einer Fläche beschrieben. Die Bezugskoordinaten der Fläche sind definiert von der X-Achse 84 und der Y-Achse 86, die mit den felderzeugenden Spulen 64 bzw. 66 zusammenfallen. Sowohl die Translation bzw. Verschiebung, und auch die Orientierungswinkel werden in Bezug auf dieses Bezugskoordinatensystem gemessen. Die Abtastspulen 52 und 54 sind an einem entfernten sich bewegenden Objekt befestigt und ihre zueinander orthogonal gerichteten Achsen 90 und 92 definieren das Koordinatensystem des Objektes, das sowohl hinsichtlich seiner Lage als auch seiner Orientierung verfolgt werden soll. Um ein Nutationsmagnetfeld zujsrzeugen, das in eine bestimmte Richtung relativ zum festen Koordinatensystem der Erzeugerspulen 64 und 66 gerichtet ist, ist in jeder der Erzeugerspulen eine bestimmte Mischung von Gleichstrom und Wechselstromerregersignalen erforderlich. Der Auflöser 102 bereitet die Bezugserregersignale für Gleichstrom und Wechselstrom auf, die auf den Leitungen 104 und 106 von den Stromquellen 68 bzw. 70 empfangen werden, gemäß einem angenommenen Eingangsrichtwinkel. A 82, so daß geeignet gemischte Auflöserausgangserreger-Signale erzeugt werden, die über Leitungen 108 und 110 an die Erzeugerspulen 64 bzw. gegeben werden. Der Richtungsvektor 80 und sein begleitendes Nutationsfeld sind daher in einem Winkel A in Bezug auf die Bezugs- oder Referenz-X-Achse geneigt. Das erzeugte Nutationsfeld ist nominell in Richtung der Abtastspulen 52 und 54 gerichtet. Die Scheitel-zu-ScheitelAmplitude der Nutation 88 ist festgelegt und beträgt üblicherweise 45 bis 90° und hängt von der relativen Größe der zwei festgelegten Signale für die Gleich- und Wechselstromerregung der Quellen 68 und 70 ab. Es ist klar, daß die in den Abtastspulen 52 und 54 induziertenRichtiang sum continuous tracking or tracking of the relative position or direction and the relative angular orientation between two independent bodies in described on an area. The reference coordinates of the surface are defined by the X-axis 84 and the Y-axis 86, the coincide with the field-generating coils 64 and 66, respectively. Both the translation or displacement, and also the Orientation angles are measured in relation to this reference coordinate system. The sensing coils 52 and 54 are attached to a distant moving object and defining their mutually orthogonal axes 90 and 92 the coordinate system of the object that is tracked both in terms of its location and its orientation shall be. To create a nutation magnetic field, that in a certain direction relative to the fixed coordinate system of the generator coils 64 and 66 is directed, there is a certain mixture of direct current in each of the generator coils and AC excitation signals are required. The resolver 102 prepares the reference excitation signals for direct current and AC power received on lines 104 and 106 from power sources 68 and 70, respectively, according to one of assumed input straightening angle. A 82 so that appropriately mixed resolver output exciter signals are generated which via lines 108 and 110 to the generator coils 64 and 64 respectively. The direction vector 80 and its accompanying Nutation fields are therefore inclined at an angle A with respect to the reference or reference X-axis. The generated nutation field is nominally directed toward sense coils 52 and 54. The vertex-to-vertex amplitude of nutation 88 is is set and is usually 45 to 90 ° and depends on the relative size of the two signals set for the DC and AC excitation from sources 68 and 70. It is clear that those induced in the sensing coils 52 and 54
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Signale nicht nur vom Richtungswinkel A abhängen, sondern auch vom relativen Orientierungswinkel -^ 94. Aus diesem Grund sind die in den Spulen 52 und 54 induzierten Signale durch Leitungen 112"und 114 mit dem Auflöser 96 verbunden und werden vom Auflöser 96 aufbereitet, wobei der Teil der Wechselstrom- und Gleichstrommischung der beiden Signale abgetrennt oder entmischt wird, der von dem Orientierungswinkel «=3> 94 stammt, wenn dieser größer Null ist. Die zwei Ausgangssignalkomponenten des Auflösers 96 sind durch Leitungen 116 und 118 mit dem Auflöser 98 verbunden, der die Gleichstrom- und Wechselstromsignalmischung weiter entmischt, was nötig ist, um den gewünschten Richtwinkel A 82 zu erhalten. Wenn der angenommene Richtwinkel A und der angenommene Orientierungswinkel ^> korrekt sind, werden die Ausgangskomponenten vom Auflöser 98 völlig entmischt werden. In diesem Falle trägt das nominelle Gleichstrom-Ausgangssignal 120 keinen Wechselstrom-Modulationsfehler, wodurch angezeigt ist, daß kein Richtungsfehler vorhanden ist. Ebenso ist dem nominellen Wechselstromsignal 122 keine Gleichstromkomponente überlagert, wodurch angezeigt ist, daß der berechnete Orientierungswinkel korrekt ist. Im Falle, daß die Winkel *=> . und/oder A inkorrekt sind, was der Fall sein wird, wenn sehr kleine Fehler erwartet werden, wie es beim Arbeiten unter dynamisch wechselnden Umständen auftritt, dann werden die Abtastschaltkreise 26 die Wechselstrom- und Gleichstromfehleranzeigen auf den Leitungen 120 und 122 erhalten, diese auf die Fehler bei der Bestimmung der Winkel ^ und A beziehen und auf den Leitungen 124 und 126 die entsprechenden differentiellen Änderungen dem Winkelmeßkreis 100 zuführen, der sie in den entsprechenden Winkeln aufspeichert. Diese verbesserten Winkelmessungen von ^> und A werden den ge-Signals not only depend on the direction angle A, but also on the relative orientation angle - ^ 94. For this reason, the signals induced in the coils 52 and 54 are connected by lines 112 ″ and 114 to the resolver 96 and are processed by the resolver 96, the Part of the alternating current and direct current mixture of the two signals is separated or separated, which comes from the orientation angle = 3> 94, if this is greater than zero. The two output signal components of the resolver 96 are connected by lines 116 and 118 to the resolver 98, the further segregates the DC and AC signal mixing, which is necessary to obtain the desired directional angle A 82. If the assumed directional angle A and the assumed orientation angle ^> are correct, the output components from the resolver 98 will be completely segregated nominal DC output signal 120 no AC modulation error, which indicates that there is no direction error. Likewise, no DC component is superimposed on the nominal AC signal 122, which indicates that the calculated orientation angle is correct. In the event that the angles * => . and / or A are incorrect, what the F will be a ll when very small errors are expected, such as occurs when working under dynamically changing circumstances, the sampling circuits 26 receive the AC and DC error displays on the lines 120 and 122, These relate to the errors in the determination of the angles and and feed the corresponding differential changes on the lines 124 and 126 to the angle measuring circuit 100, which stores them in the corresponding angles. These improved angle measurements of ^> and A are used to
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eigneten Auflösern eingegeben, in dieser Ausführungsform in den Leitungen 132, 134 und 136 in einer konstanten Rückführanordnung. Daraus ergibt sich, daß die Korrekturen, die an den Ausgängen 128 und 130 anliegen, die Fehlermessungen der Komponenten 124 und 126 reduzieren. Diese Prinzipien können durch Anwendung des in Fig. 11 gezeigten Systems auf dreidimensionale Anwendungen erweitert werden.appropriate resolvers entered, in this embodiment in lines 132, 134 and 136 in a constant feedback arrangement. It follows that the corrections which are present at the outputs 128 and 130, the error measurements of the Reduce components 124 and 126. These principles can be applied to three-dimensional by applying the system shown in FIG Applications can be expanded.
Wie in dem System nach Fig. 10, weist das System nach Fig. 11 Magnetfelderzeug, er spulen 64 und 66 und Magnetfeld abtastende Spulen 52 und 54 auf. Eine dritte magnotfeiderzeugende Spule 158, die wechselseitig orthogonal zu den Spulen 64 und 66 angeordnet ist, und eine dritte magnetfeldabtastende Spule 248, die wechselseitig orthogonal zu den Spulen 52 und 54 angeordnet ist, wird zur Messung der Information in der dritten Dimension vorgesehen. Zur Erleichterung des Verständnisses sind die drei Spulen in jedem Fall räumlich getrennt dargestellt. In V/irklichkeit schneiden sich jedoch die magnetischen Achsen sowohl der Erzeugerspulen als auch der Abtasterspulen in einem wechselseitig orthogonalen Verhältnis, wie es durch die kartesischen Koordinatenachsen 84, 86, 160 bzw. 90, 92, 170 gezeigt ist. Weiterhin wird ein zusätzliches Wechselstrorabezugserregersignal geschaffen, so daß Wechselstrom 1 (AC1) und Wechselstrom 2 in einer quadratischen Beziehung stehen oder 90°-phasenverschoben sind. Sie können als Sinuskurven mit gleicher Amplitude aber 90°-Phasenverschiebung angesehen werden, obwohl die zwei Bezugssignale Wechselstrom 1 und Wechselstrom 2 nicht notwendigerweise in der praktischen Ausführungsform des Systems sinusförmig sein müssen. Es wird wiederum Bezug genommen auf Fig. 4, welche die frühere Diskussion des Koordinatentransformationschaltkreises betrifft und welche die dreidimensionale Riehtgeometrie zeigt. Wie im Falle der in Fig. 10 ge-As in the system of FIG. 10, the system of FIG. 11 has magnetic field generating, it coils 64 and 66 and magnetic field scanning Spools 52 and 54 on. A third one that produces Magnotfeid Coil 158, which is mutually orthogonal to the coils 64 and 66, and a third magnetic field scanning end Coil 248, which is mutually orthogonal to the coils 52 and 54, is used to measure the Information provided in the third dimension. For ease of understanding, the three coils are in each one Case shown spatially separated. Cut into reality however, the magnetic axes of both the generator coils and the scanner coils are mutually orthogonal Ratio as shown by the Cartesian coordinate axes 84, 86, 160 and 90, 92, 170, respectively. Farther an additional AC reference excitation signal is created so that AC 1 (AC1) and AC 2 in are in a quadratic relationship or are 90 ° out of phase. They can be used as sine waves with the same amplitude but 90 ° phase shift can be considered, although the two reference signals AC 1 and AC 2 are not necessarily must be sinusoidal in the practical embodiment of the system. Reference is again made to Figure 4, which illustrates the earlier discussion of the coordinate transformation circuit concerns and which shows the three-dimensional rectilinear geometry. As in the case of the
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-W--W-
zeigten zweidimensionalen Ausführungsform ermöglicht es die Fähigkeit des Richtvektors 180 in jede Richtung zu zeigen, in welcher die Anordnung der Abtastspulen 52, 54 und 248 sich bewegen kann, ein Nachführen der Abtastspulen. Die Bezugserregersignale für den Gleichstrom (DC), den Wechselstrom 1 (AC1) und den Wechselstrom 2 (AC2) aus den Quellen "68, 70 und 140 definieren ein kegelförmiges Nutationsmagnetfeld 164 um eine Richtachse 180, die mit der Achse der Gleichstromkomponente des Feldes zusammenfällt. Es soll wieder betont werden, daß die Ausrichtung des Wechsels 180 auf elektrische Weise durch eine noch zu beschreibende Schaltung erfolgt, während die Erzeugerspulen 64, 66 und 158 in einer zueinander festen Orientierung verbleiben. Die Gleichstromquelle 68 und die Wechselstrom 2-Quelle 140 sind durch Leitungen 142 und 144 mit dem Auflöser 220 verbunden, dessen Ausgangsleitung 148 zusammen mit der Ausgangsleitung 146 der Viechseistrom 1-Quelle 70 mit dem Auslöser 222 verbunden sind. Die Ausgangsleitungen 154 und 156 leiten die Erregersignale vom Auflöser 222 zu den Erzeugerspulen 64 und 66. Die Erzeugerspule 158 wird über die Leitung 152 vom Ausgang des Auflösers 220 erregt» Die zwei Winkel.A und B der Auflöser 222 und 220 arbeiten daher auf dem Bezugsvektoreingang des Nutationsfeldes, dessen Komponenten die Bezugserregungen der Quellen 68, 70 und 140 sind, so daß der Richtungsvektor 180 und sein begleitendes Nutationfeld in Übereinstimmung mit der in Fig. 4 gezeigten, Geometrie ausgerichtet sind. Der Richtungsvektor 180 zeigt in Richtung des Abtasters, der auf dem entfernten Objekt, das durch das System verfolgt werden soll, angebracht ist. Dieser Abtaster besteht aus drei wechselseitig orthogonal angeordneten Abtastspulen 52, 54 und 248, die auf dem entfernten Objekt befestigt sind und die nach einer bevorzugten Ausführungsform mit den Hauptachsen des ent-showed two-dimensional embodiment allows the Ability of directional vector 180 to point in any direction in which the arrangement of sensing coils 52, 54 and 248 can move, tracking the sensing coils. The reference excitation signals for direct current (DC), the alternating current 1 (AC1) and the alternating current 2 (AC2) from sources "68, 70 and 140 define a conical nutation magnetic field 164 about a straightening axis 180, which coincides with the axis of the direct current component of the field coincides. It should again be emphasized that the orientation of the change 180 is based on electrical way is done by a circuit to be described, while the generator coils 64, 66 and 158 in one fixed orientation to one another remain. DC power source 68 and AC power 2 source 140 are through Lines 142 and 144 connected to the resolver 220, the output line 148 of which together with the output line 146 of the Viechseistrom 1 source 70 are connected to the trigger 222. Output lines 154 and 156 carry the excitation signals from resolver 222 to generator coils 64 and 66. The generator coil 158 is excited via line 152 from the output of the dissolver 220 "The two angles. A and B the dissolver 222 and 220 therefore work on the reference vector input of the nutation field, the components of which are the reference excitations of the Sources 68, 70 and 140 are such that the direction vector 180 and its accompanying nutation field are in accordance with the 4 are aligned with the geometry shown in FIG. The direction vector 180 points in the direction of the scanner, which is on attached to the remote object to be tracked by the system. This scanner consists of three reciprocally orthogonally arranged scanning coils 52, 54 and 248, which are attached to the distant object and which, according to a preferred embodiment, with the main axes of the
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fernten Objektes übereinstimmen, so daß bei der Bestimmung der Orientierung der Abtasterdreiheit die Orientierung des entfernten Objektes gleichzeitig bestimmt wird. Wie in der Beschreibung des zweidimensionalen Falles, der in Fig. 10 gezeigt ist, hängen die Signale, die in den Abtastspulen 52, 54 und 248 induziert werden von der Orientierung ihrer Abtastkoordinatensysteme ab, die von den wechselseitig zueinander senkrecht stehenden Koordinatenachsen 90, 92 und 170 gebildet werden, relativ zur Richtungsachse 180 und deren zwei orthogonalen Nutationskomponenten des jfU'ta'ti011"" feldes ab. Mit anderen Worten, die besondere Mischung der drei Bezugserregersignale Gleichstrom (DC), Wechselstrom 1 (AC1), und Wechselstrom 2 (AC2) der Quellen 68, 70 und 140, die in jeder der drei Abtastspulen 52, 54 und 248 induziert werden, hängen nicht nur von den zwei Richtwinkeln A und B ab, welche den zusammengesetzten Richtkoordinatentransformationskreis 252 bestimmen, sondern auch von den drei Eulerwinkeln, welche die relative Winkelorientierung des entfernten Objektes definieren und welche den zusammengesetzten Orientierungskoordinatentransformationsschaltkreis 250 bestimmen. Die HAuptfunktion der zwei Koordinatentransformationsschaltkreise 250 und 252 in der Gesamtrechenstrategie des Systems besteht darin, daß der Transformationsschaltkreis 250 den Teil der Bezugssigna3.mischung entmischt, der in den Abtastspulen induziert wird und der relativen Orientierung des entfernten Objektes zuzurechnen ist und der Roordinatentransformationsschaltkreis 252 den verbleibenden Teil der Bezugssignalmischung entmischt, der sich auf die Richtungswinkel bezieht. Wenn die drei Orientierungswinkel, die den Koordinatentransformations-Schaltkreis 250 definieren und die zwei Richtwinkel, die den Koordinatentransformations-Schaltkreis 252 definieren in geeigneter Weise die physikalische Beziehung zwischendistant object coincide, so that when determining the orientation of the scanner trinity, the orientation of the distant object is determined at the same time. As in the description of the two-dimensional case shown in FIG. 10, the signals induced in the scanning coils 52, 54 and 248 depend on the orientation of their scanning coordinate systems, which are mutually perpendicular coordinate axes 90, 92 and 170 are formed relative to the directional axis 180 and its two orthogonal nutation components of the jfU'ta'ti 011 "" field. In other words, the particular mix of the three reference excitation signals direct current (DC), alternating current 1 (AC1), and alternating current 2 (AC2) from sources 68, 70 and 140 induced in each of the three sensing coils 52, 54 and 248 hang not only on the two directional angles A and B, which determine the composite directional coordinate transformation circuit 252, but also on the three Euler angles, which define the relative angular orientation of the distant object and which determine the composite orientation coordinate transformation circuit 250. The H A uptfunktion the two coordinate transformation circuits 250 and 252 in the overall processing strategy of the system is that the transformation circuit 250 separates the part of the Bezugssigna3.mischung induced in the sense coils and the relative orientation of the remote object is allocated and the Roordinatentransformationsschaltkreis 252 the the remaining part of the reference signal mixture, which relates to the directional angle, is unmixed. If the three orientation angles that define the coordinate transformation circuit 250 and the two directional angles that define the coordinate transformation circuit 252 appropriately define the physical relationship between
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don Abtaster- und Erzeugerkoordinatensystemen repräsentieren, dann entsprechen die Signale, die von den Abtastschaltkreisen 26 abgetastet werden, den entmischten Bezugssignalen des Gleichstroms (DC) des Wechselstroms 1 (AC1) und des Wechselstroms 2 (AC2) aus den Quellen 68, 70 bzw. 140.don represent scanner and generator coordinate systems, then the signals sampled by sampling circuits 26 correspond to the unmixed DC reference signals (DC) of alternating current 1 (AC1) and alternating current 2 (AC2) from sources 68, 70 and 140, respectively.
Die Abtastspulen 54 und 248 sind mit dem Auflöser 224 über die Leitungen 168 und 172 verbunden. Der Ausgang der Abtastspule 52 und ein Ausgang des Auflösers 224 sind mit dem Auflöser 226 über die Leitungen 166 bzw. 174 verbunden. Ein Ausgang des Auflösers 224 und ein Ausgang des Auflösers 226 sind mit dem Auflöser 228 über die Leitungen 176 und 178 verbunden. Die zwei Ausgänge des Auflösers 228 sind mit dem Auflöser 230 über die Leitungen 186 bzw. 188 verbunden. Ein Ausgang des Auflösers 226 und ein Ausgang des Auflösers 230 sind mit dem Auflöser 232 über die Leitungen 184 bzw. 190 verbunden. Ein Ausgang des Auflösers 230 und zwei Ausgänge vom Auslöser 232 stellen die aufbereiteten Signaleingänge der Abtastschaltkreise 26 dar und-werden über die Leitungen 192, 194 bzw. 196 eingespeist. Die mit den drei erwähnten Eingangssignalen, die auf den Leitungen 194, 192 und 196 liegen, arbeitenden Abtastschaltungen 26, tasten deren Abweichungen von den nominell korrekten Werten ab, die den Bezugserregersignalkomponenten 68, 70 und 140 entsprechen sollten. Das Signal, das auf Leitung 194 abgetastet wird, sollte nominal ein Gleichstromsignal sein. Wenn Leitung 194 ein Wechselstromfehlersignal- in der Nutationsfrequenz enthält, dann existiert ein Richtfehler, d.h. daß der Ausrichtvektor 180 nicht genau auf die Abtastspulen 52,54 und 248 gerichtet ist. Der Teil des Wechselstromfehlersignales, der auf Leitung 194 anfällt, die die gleiche absolute Phase wie das Erregersignal 146 aufweist, ist proportional zu einem fehler im Richtwinkel A. Dieser Richtwinkelfehler in A ist mit den Winkelmeß-Schaltkreisen 100 durch Leitung 200 ver~The sensing coils 54 and 248 are connected to the resolver 224 via lines 168 and 172. The output of the sensing coil 52 and an output of resolver 224 are connected to resolver 226 via lines 166 and 174, respectively. A Output of resolver 224 and an output of resolver 226 are connected to resolver 228 via lines 176 and 178. The two outputs of the resolver 228 are connected to the Dissolver 230 connected via lines 186 and 188, respectively. An output of resolver 226 and an output of resolver 230 are connected to resolver 232 via lines 184 and 190, respectively. One output from the resolver 230 and two outputs from the trigger 232 represent the processed signal inputs of the sampling circuits 26 and are sent via lines 192, 194 and 196, respectively fed in. The sampling circuits operating on the three input signals mentioned above, which are on lines 194, 192 and 196 26, sample their deviations from the nominally correct values, the reference excitation signal components 68, 70 and 140 should correspond. The signal sampled on line 194 should nominally be a DC signal. If line 194 is an ac error signal at nutation frequency contains, then there is an alignment error, i.e. the alignment vector 180 does not exactly target the sensing coils 52, 54 and 248 is directed. That portion of the AC fault signal that appears on line 194 that is in the same absolute phase as the excitation signal 146 is proportional to an error in the directional angle A. This directional angle error in A is ver ~ with the angle measuring circuits 100 through line 200
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bunden. Der Teil des Wechselstromfehlersignals, der auf Leitung 194 liegt und von der selben absoluten Phase, wie das Erregersignal 144 ist, ist dem Fehler im Richtwinkel B proportional. Dieser Fehler im Richtwinkel B wird mit den Winkelmeßschaltkreisen 100 über Leitung 202 verbunden. Das Signal, das auf Leitung .192 erscheint, sollte ein nominelles Wechselstromsignal mit der Nutationsfrequenz sein und kein Gleichstromsignal. Wenn ein Gleichstroiasignal auf der Leitung 192 erscheint, ist dies proportional einem Orientierungswinkelfehler im Winkel γ , welcher der relative Peilwinkel genannt wird. Diesererfasste Fehler im relativen Peilwinkel ^r , ist mit den Winkelmeßschaltkreisen durch Leitung 200 verbunden. Das Signal, dasauf Leitung anliegt, sollte ebenfalls ein nominelles Wechselstromsignal mit der Nutationsfrequenz sein und keinen Gleichstroinanteil enthalten., Wenn immer ein Gleichstromsignal auf der Signalleitung 1$6 erscheint, ist dies proportional einem B'ehler im relativen Orientierungswinkel -O- , welcher der relative Höhenwinkel genannt wird. Dieser Fehler im relativen Höhenwinkel -<s>- . wird den Winkelmeßschaltkreisen 100 über Leitung 206 zugeführt. Wie oben erwähnt wurde, sind die auf den Leitungen 192 und 196 erscheinenden Nominalsignale nicht allein dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wechselstromsignal mit Nutationsfrequenz darstellen, sondern auch dadurch, daß sie in quadratischer Beziehung zu ihren Nominalbezugssignal-Gegenstücken Wechselstrom 1 (AC1) und Wechselstrom (AC2) stehen. Weiterhin ist die Phasendifferenz zwischen dem Signal auf Leitung 192 und der Signalquelle 70 oder alternativ die Phasendifferenz zwischen dem Signal auf Leitung 196 und Signalquelle 140 proportional einem Fehler im relativen Orientierungswinkel φ , der der relative RoIl-bound. The portion of the AC error signal that is on line 194 and is of the same absolute phase as the excitation signal 144 is proportional to the error in directional angle B. This error in the straightening angle B is connected to the angle measuring circuit 100 via line 202. The signal appearing on line .192 should be a nominal AC signal at the nutation frequency and not a DC signal. If a DC signal appears on line 192, it is proportional to an orientation angle error in angle γ , which is called the relative bearing angle. This detected error in the relative bearing angle r is connected to the angle measuring circuit by line 200. The signal that is present on the line should also be a nominal alternating current signal with the nutation frequency and contain no direct current component. Whenever a direct current signal appears on the signal line 1 $ 6, this is proportional to an error in the relative orientation angle -O-, which is the relative Is called elevation angle. This error in the relative elevation angle - <s> -. is fed to the angle measuring circuits 100 via line 206. As mentioned above, the nominal signals appearing on lines 192 and 196 are characterized not only by the fact that they represent an alternating current signal with nutation frequency, but also by the fact that they are in quadratic relation to their nominal reference signal counterparts alternating current 1 (AC1) and alternating current ( AC2). Furthermore, the phase difference between the signal on line 192 and the signal source 70 or, alternatively, the phase difference between the signal on line 196 and signal source 140 is proportional to an error in the relative orientation angle φ , which is the relative RoIl-
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winkel genannt wird. Dieser Fehler im relativen Rollwinkel φ wird dom Winkelmeßschaltkreis 100 über Leitung 204 eingegeben. Die Funktion der Winkelmeßschaltkreise 100 liegt darin, richtige oder "berichtigte Messungen der zwei Richtwinkel A und B auf den Leitungen 210 und 212 abzugeben, die auf den Winkelfehlern beruhen, die von den Abtastschaltkreisen 26 ermittelt werden. Eine weitere Funktion der Winkelmeßschaltkreise 100 liegt darin, richtige oder korrigierte Messungen der drei relativen Orientierungswinkel (/>,·& und ir auf den Leitungen 214, 216 und 218 zu liefern. Diese andauernd verbesserten Winkelmessungen, „die auf den Leitungen 210, 212, 214, 216 und 218 erscheinen, sind durch die Leitungen 234 und 240, 236 und 238, 246, 244, 242 mit den Resolvern 222 und 230, 220 und 232, 224, 226 und 228 in einer feststehenden Rückführanordnung«verbunden. Korrekturen, die von den Winkelmeßschaltkreisen 100 in den betreffenden. Winkeln durchgeführt werden, wirken dahingehend, die Fehlersignale j, die von den Abtastschaltkreisen 26 auf den Leitungen 194, 192 und I96 erscheinen, auf Null zu reduzieren. Es soll erwähnt werden, daß die Folge der Winkel und ihrer zugehörigen Rotationsachsen sowohl für den Richtungskoordinatenschaltkreis 252p als auch für den Orientierungskoordinatentransformationsschaltkreis 250 nicht einzigartig sind. Das heißt, auch andere Winkeldefinitionen und Rotationsfolgen können für jede der zwei Transformationen verwendet werden, vorausgesetzt, sie haben die erforderliche Freiheit zur Ausrichtung und relativen Orientierung.angle is called. This error in the relative roll angle φ is input to the angle measuring circuit 100 via line 204. The function of the angle measuring circuits 100 is to provide correct or "corrected" measurements of the two straightening angles A and B on lines 210 and 212 based on the angle errors detected by the sampling circuits 26. Another function of the angle measuring circuits 100 is to provide To provide correct or corrected measurements of the three relative orientation angles (/>, & and ir on lines 214, 216 and 218. These continually improved angle measurements "appearing on lines 210, 212, 214, 216 and 218 are through lines 234 and 240, 236 and 238, 246, 244, 242 are connected to resolvers 222 and 230, 220 and 232, 224, 226 and 228 in a fixed feedback arrangement. Corrections made by angle measuring circuits 100 in the respective angles are performed, act to reduce to zero the error signals j appearing on lines 194, 192 and I96 from the sampling circuits 26 It should be noted that the sequence of angles and their associated axes of rotation are not unique to both directional coordinate circuit 252p and orientation coordinate transformation circuit 250. That is, other angle definitions and rotation sequences can be used for either of the two transformations, provided they have the required freedom for alignment and relative orientation.
Es wird weiterhin daraufhin gewiesen, daß die Verwirklichung der Erfindung durch Verwendung bekannter Techniken mit digitalen, analogen oder Hybridschaltungen durchgeführt werden kann.It is further indicated that the practice of the invention using known techniques with digital, analog or hybrid circuits can be carried out.
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Es soll ebenfalls darauf hingewiesen werden, daß, obwohl die Erfindung als ein einzigartiges Überführungssystem mit fünf Freiheitsgraden zwischen zwei räumlich entfernt unabhängigen Koordinatensystemen dient, wobei nur eine Erzeugerquelle in einem der Koordinatensysteme und nur ein Empfänger in dem anderen Koordinatensystem verwendet vird, dieses System leicht erweitert werden kann, um eine Messung aller sechs Freiheitsgrade unter Verwendung von zwei Erzeugermitteln zu erreichen. Die zweiten Erzeugermittel würden oder könnten an einer anderen Stelle im Koordinatensystem der ersten Erzeugermittel angebracht sein und mit den ersten Erzeugermitteln parallel arbeiten, wobei die dritte Translationskoordinate, die des relativen Bereiches durch eine Triangulation unter Verwendung der gleichen Rechentechniken , wie in der Erfindung verwendet, bestimmt werden könnte.It should also be noted that although the invention is considered a unique transfer system with five degrees of freedom between two spatially distant independent coordinate systems, with only one generator source in one of the coordinate systems and only one receiver is used in the other coordinate system, this system can easily be extended to include a measurement of all six degrees of freedom using to achieve two producer funds. The second generating means would or could be at another point in the coordinate system of the first generating means and operating in parallel with the first generating means, the third Translation coordinate that of the relative area by triangulation using the same computational techniques, as used in the invention could be determined.
Es soll ebenfalls betont werden, daß der Gegenstand der Erfindung auf einem weiten Anwendungsbereich eingesetzt werden kann, in Bereichen von wenigen Kubikfuß oder weniger bis zu Anwendungen in Bereichen etlicher Kubikmeilen. Es ist nach der obigen Beschreibung klar, daß die Abtastschaltungen intern mit den Komponenten der Bezugserregersignale aus den Quellen 68, 70 und 140 beliefert werden, um die ausgefilterte Abtastfunktion logisch ausführen zu können, die für ihre Abtastschaltungen 26 erforderlich ist.It should also be emphasized that the subject invention can be used in a wide range of applications can be used in ranges from a few cubic feet or less to applications in ranges of several cubic miles. It is after It is clear from the above description that the sampling circuits are internally connected to the components of the reference excitation signals from the Sources 68, 70 and 140 are supplied in order to be able to logically execute the filtered scan function which is required for their sampling circuits 26 is required.
Die Auflöser, die Teile der Schaltung darstellen,können beispielsweise in Übereinstimmung mit den in den US-Patenten No. 3 187 169 und 2 927 734 hergestellt werden. Die Abtastschaltkreise, können wiederum beispielsweise in Übereinstimmung mit den Lehren des Schaltungsdiagrammes hergestellt werden, das in dem Buch "Electronics Circuit DesignersThe resolvers that represent parts of the circuit can for example, in accordance with the US Pat. 3,187,169 and 2,927,734. The sampling circuits, Again, for example, may be made in accordance with the teachings of the circuit diagram in the book "Electronics Circuit Designers
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Casebook" von Electronics McGraw Hill, No. 14-6 auf Seite 67 dargestellt ist. Die Winkelmeßschaltung kann in Form einer großen Zahl gut bekannter Servomechanismen vom Typ I gewählt v/erden. Es gibt selbstverständlich zahlreiche alternativ erhältliche Konstruktionen für jede dieser Teile, wie dem Fachmann ohne weiteres klar ist.Casebook "by Electronics McGraw Hill, No. 14-6 on page 67 is shown. The angle measuring circuit can take the form of a large number of well known Type I servo mechanisms selected v / earth. There are of course numerous alternative designs available for each of these parts, as is readily apparent to those skilled in the art.
Es sollte nun offenbar sein, daß das erfindungsgemäße System fähig ist, die eingangs gestellten Aufgaben zur Verfolgung und Lagebestimmung eines entfernten Objektes erfüllen kann. Das System und Verfahren nach der Erfindung verwendet ein Feld zum Zwecke der genauen Bestimmung der Lage und Winkelorientierung eines entfernten Objektes, das relativ zum Koordinantensystem der Vorrichtung liegt, welches das Feld erzeugt. Mit einer zweidimensionalen Nutation dos erzeugten Feldes, können die Richtungs- und Orientierungfewinkel des entfernten Objektes in der Ebene der Nutation bestimmt werden. Mit einer dreidimensionalen Nutation, kann die Richtung und die Orientierung eines entfernten Objektes bestimmt werden.It should now be apparent that the inventive The system is capable of the tasks initially set for tracking and determining the position of a distant object can meet. The system and method of the invention uses a field for the purpose of accurately determining the Position and angular orientation of a distant object, which is relative to the coordinate system of the device, which the field generated. With a two-dimensional nutation of the generated field, the direction and orientation angles of the distant object can be determined in the plane of nutation. With a three-dimensional nutation, can the direction and orientation of a distant object can be determined.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß (a) auch der unverarbeitete Ausgang der Winkelmeßschaltung in bestimmten Situationen in einem offenen System von Nutzen sein kann, obwohl normalerweise für eine genaue Bestimmung der Winkel j>, G und γ der Erzeuger direkt auf die Abtastmittel gerichtet sein muß, und daß (b) die absolute Lage und Orientierung (einschließlich der Entfernung) eines Objektes relativ zur Bezugsquelle durch Verwendung zweier physikalisch getrennter Generatoren, wie sie in Fig. 11 gezeigt sind;mit geeigneter Eingangs- und Ausgangsschaltung an dem Objekt bestimmt werden kann.An additional advantage of the invention is that (a) the raw output of the angle measuring circuit can also be useful in certain situations in an open system, although normally for an accurate determination of the angles j>, G and γ the generators directly on the scanning means must be directed, and that (b) the absolute location and orientation (including distance) of an object relative to the reference source by using two physically separated generators as shown in Figure 11 ; can be determined with suitable input and output circuitry on the object.
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Obwohl die Erfindung im Detail als ein System zur Verfolgung der Bewegung und winkelmäss igen Orientierung eines Lm allgemeinen- entfernten Objektes beschrieben wurde, ist es dem Fachmann ohne weiteres klar,daß die Erfindung bei einer Vielzahl von Objektbestimmungs-, Nachführ-ungs- und Orientierungs-Vv'.inkelbestimmungen angewandt werden kann. Eine Anwendung, die gegenwärtig noch in der Entwicklungsphase ist, bestellt in der Verfolgung der Bewegung/tirientierung eines Beobachfcungskopfes, oder insbesondere dessen Sichtlinie zur Verwendung in einom visuell gekoppelten Steuersystem. Andere mögliche Anwendungen beispielsweise des zweidimensionalen Systems ergebc-m sich bei verschiedenen Arten des Oberflächentransportes, wie beim Manövrieren von Schiffen, oder bsi der Aufrechterhaltung geeigneter Entfernungen zwischen Personenautos in einem automatisierten öffentlichen Transportsystem.· Andere Flugzeugnavigationsprobleme, die geeignet sind, mit dem System der Erfindung gelöst zu werden, bestehen in der Ausrichtung von Raketensystemen in der Luft, selbsttätigem Kuppeln von Tankerrohrdüse und Aufnehmer bei der Luftbetankung von Flugzeugen, Formationsfliegen, Instrumentenlandung von senkrecht startenden und landenden Flugzeugen und dergleichen.Although the invention in detail as a system for tracking the movement and orientation winkelmäss strength was a general- Lm remote object described, it is clear to the skilled person that the invention in a variety of Objektbestimmungs-, tracking and orientation ungs- Vv 'angle determinations can be applied. One application currently under development is the tracking of the movement / orientation of a viewing head, or in particular its line of sight, for use in a visually coupled control system. Other possible applications of, for example, the two-dimensional system arise in various types of surface transportation, such as maneuvering ships, or maintaining appropriate distances between passenger cars in an automated public transportation system. Other aircraft navigation problems that are suitable with the system of the invention to be solved, consist in the alignment of missile systems in the air, automatic coupling of the tanker nozzle and transducer when refueling aircraft, formation flying, instrument landing of aircraft taking off and landing vertically and the like.
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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