DE2609532A1

DE2609532A1 - Automatic course control system particularly suited to ships - with course define by cable laid on seaway bed to induce coil voltages on board ship

Info

Publication number: DE2609532A1
Application number: DE19762609532
Authority: DE
Inventors: Dieter Prof Dr Ing Gilles
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-07
Filing date: 1976-03-08
Publication date: 1976-12-30

Abstract

The automatic course control system is intended to maintain a ship on a course determined by cable laid along the seaway. The cable (K) carries an alternating current that produces an electromagnetic field which is detected by on-board coils to fix the co-ordinate position relative to the ship. The induced voltages are related to the vertical and horizontal angular positions relative to the cable by a number of trigonometric equations involving sines or cosines of the inclination angles multiplied by a factor A/r, where r is the radius vector and A is given by A=(1/2. PI). mur muoFnWIo, where muo, mur are the general are relative permeability constants, F is the effective coils area, n is the number of windings, Io is the cable current amplitude and W is the a.c. frequency.

Description

Beschreibung zu der Patentanmeldung Prof. Dr.-Ing. Dieter Filles und Dr.-Ing. Klaus Stark, Stuttgart, Keplerstr. 17 betreffend Verfahren und Vorrichtung zur Positionierung von Fahrzeugen. Description of the patent application Prof. Dr.-Ing. Dieter Filles and Dr.-Ing. Klaus Stark, Stuttgart, Keplerstr. 17 relating to the method and device for positioning vehicles.

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur selbsttätigen Positionierung von Fahrzeugen entlang einer Fahrstrecke und im Zusammenhang damit zur Markierung bestimmter Stellen, insbesondere bei der Positionierung zu beachtender Stellen der Fahrstrecken unter Verwendung mindestens eines die Fahrstrecke angebenden elektrischen Leitkabels. Die Erfindung ist für alle Arten schienen-ungebundener Fahrzeuge, insbesondere aber für Schiffe und speziell Binnenschiffe bestimmt, wobei jedes Leitkabel am Grund des zu befahrenden Gewässers, z.B. eines Flusses oder eines Kanales, verlegt oder eingespült ist, aber auch am Ufer des Gewässers angeordnet sein kann. The invention relates to methods and devices for automatic Positioning of vehicles along and in connection with a route for marking certain points, especially when positioning them Setting the routes using at least one specifying the route electrical guide wire. The invention is rail-free for all species Vehicles, but especially intended for ships and especially inland waterway vessels, whereby every guide wire at the bottom of the body of water to be navigated, e.g. a river or a Canal, laid or flushed, but also arranged on the bank of the water can be.

Ungeachtet aller Bemühungen, um beispielsweise Schiffe mit Hilfe moderner Ortung- und Steuergeräte automatisch über Gewässerstrecken zu führen, kann man bisher auf die menschliche Mitwirkung bei der Führung und bei schwierigem Fahrwasser, -wie Hafeneinfahrten und engen Fahrrinnen mit Hindernissen1 auf die Hilfe erfahrener Lotsen nicht verzichten. Radaranzeigen werden durch Störreflexionen häufig weitgehend beeinträchtigt, so dass die Auswertung der Anzeigen ein besonders geschultes Personal'erfordert, das nicht nur die Erfahrungen eines Lotsen, sondern auch die eines Radarspezialisten haben muss. Notwithstanding all efforts to help, for example, ships to guide modern tracking and control devices automatically over stretches of water, can one has so far relied on human participation in the guidance and in difficult waters, -like port entrances and narrow fairways with obstacles1 on the help of experienced Pilots do not do without. Radar displays are often largely due to interference reflections impaired, so that the evaluation of the advertisements requires specially trained staff, that is not only the experience of a pilot, but also that of a radar specialist must have.

Es sind bereits Leitsysteme zur Blindlenkung von Fahrzeugen vorgeschlagen worden mit einem als Leitmittel dienenden wechselstromdurchflossenen Leitkabel, -dessen Wechselfeld in Spulen mit geeigneter Anordnung Spannungen induziert, die Aussagen über die relative Lage des Fahrzeuges zum Leitkabel ermöglichen. Bei diesen Leitsystemen wird jedoch nur eine qualitative Anzeige der relativen Lage des Fahrzeuges erzeugt, aufgrund welcher ein Fahrzeugführer, z.B. ein Pilot oder ein Kaptitän, dann eine Entscheidung über die einzuhaltende Fahrtrichtung und -geschwindigkeit treffen kann; die bekannten Leitsysteme stellen also nur eine Steuerhilfe dar. Da sie keine weiterverarbeitbaren Signale erzeugen, welche die relative Lage des Fahrzeuges zum Leitkabel qualitativ genau angeben, können sie insbesondere nicht zur automatischen Kursregelung des Fahrzeuges längs des Leitkabels und damit der Fahrstrecke verwendet werden. Control systems for blind steering of vehicles have already been proposed with an alternating current-carrying guide cable serving as a guide, -Its alternating field induces voltages in coils with a suitable arrangement Make statements about the position of the vehicle relative to the guide wire possible. With these Control systems, however, only provide a qualitative display of the relative position of the vehicle generated, on the basis of which a vehicle driver, e.g. a pilot or a captain, then a decision about the direction and speed of travel to be observed can meet; the well-known control systems are therefore only a control aid. Da they do not generate any further processable signals that indicate the relative position of the vehicle Specify qualitatively precisely for the guide wire, they cannot, in particular, for the automatic Course control of the vehicle along the guide wire and thus the route used will.

Entsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen Positionierung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Schiffes, über einem die Fahrstrecke angebenden Leitkabel zu schaffen, mit welchem eine vollkommen selbsttätige Führung des Fahrzeuges längs der Fahrstrecke unter Einschluss der Ubermittelung aller dazu zweckmässigen Informationen auch über Besonderheiten der Fahrtstekke an das Fahrzeug möglich ist. Mit der Erfindung soll die Grundlage für ein System geschaffen werden, mit dessen Hilfe die Verkehrsabwicklung auf Binnenschiffahrtsstrassen und küstennahen Gewässern so weitgehend automatisiert werden kann, dass die Besatzung der Schiffe nur noch überwachende Funktionen auszuüben braucht. Accordingly, the invention is based on the object of a method and a device for the precise positioning of a vehicle, in particular one Ship to create over a guide cable indicating the route, with which a completely automatic guidance of the vehicle along the route under Inclusion of the transmission of all relevant information, also about special features the drive to the vehicle is possible. With the invention the basis to be created for a system with the help of which the traffic handling on inland waterways and coastal waters can be so largely automated that the crew the ships only need to perform monitoring functions.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss mit dem Verfahren gemass Anspruch 1 und der Vorrichtung gemäss Anspruch 9 gelöst. This object is achieved according to the invention with the method according to claim 1 and the device according to claim 9 solved.

Weitere, zur Lösung der Erfindungsaufgabe vorteilhaft beitragende, jedoch zum Teil auch selbständig mit Vorteil einsetzbare Massnahmen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.Further, contributing to the solution of the inventive task, however, some measures that can also be used independently with advantage are included in the further claims specified.

Bei dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung werden zwei elektrische Positionssignale erzeugt, welche den seitlichen Abstand des Fahrzeuges zum Kabel und seinen Kurswinkel, d.h. den Winkel zwischen Leitkabel und Fahrzeugkurs qualitativ genau angeben. Damit sind alle Signale vorhanden, die ein Zustands- oder Kursregler benötigt, um das Fahrzeug durch Eingriff über die Fahrzeuglenkung, z.B. durch Eingriff auf das Schiffsruder, automatisch auf einem Kurs entlang des Leitkabels zu halten. Da der Kursregler als Führungsgrösse einen bestimmten horizontalen Sollabstand erhält, ist es dabei nicht erforderlich, dass das Fahrzeug direkt über dem Leitkabel fährt; es kann sich z.B. auch mit dem vorgegebenen seitlichen Sollabstand parallel zum Leitkabel bewegen, was die Möglichkeit zur Einrichtung mehrerer Fahrspuren über einem gemeinsamen Leitkabel gibt. Dies ermöglicht z.B. das gegenseitige Überholen von Fahrzeugen oder das Verlegen des Leitkabels ausserhalb des eigentlichen Fahrbereiches, z.B. bei Schiffen am Ufer eines Gewässers. Da bei der Erfindung sowohl der Kurswinkel als auch der seitliche Abstand vom Leitkabel zur Kursregelung verwendet werden und die Kursregelung mit dem seitlichen Abstand als Führungsgrösse arbeitet, können auch schwierige Einflussgrössen, wie z.B. Querströmungen oder seitlicher Winddruck auf die Fahrzeuge bei der Kursregelung bewältigt werden. In the new method and device, two are electrical Position signals are generated which determine the lateral distance between the vehicle and the cable and its course angle, i.e. the angle between the guide wire and the vehicle course qualitatively specify exactly. This means that all signals are available that a state or course controller required to drive the vehicle through intervention via the vehicle steering, e.g. through intervention on the ship's rudder to automatically maintain a course along the guide wire. Since the course controller receives a certain horizontal target distance as a reference variable, it is not necessary that the vehicle drives directly over the guide wire; it can, for example, also be parallel to the Guide wires move, giving the ability to set up multiple lanes over a common guide wire there. This enables e.g. mutual overtaking of vehicles or laying the guide cable outside the actual driving area, e.g. on ships on the bank of a body of water. Since in the invention both the course angle as well as the lateral distance from the guide wire can be used for course control and the course control works with the lateral distance as a reference variable also difficult influencing variables, such as cross currents or lateral wind pressure on the vehicles to be mastered in the course regulation.

Die Massnahme des Anspruches 2 gestattet ohne besonderen, zusätzlichen Aufwand z.B. die Anzeige der Höhe des Fahrzeugs über dem Leitkabel und damit bei Schiffen z.B. die Anzeige des verfügbaren Tiefganges. Bei Flugzeugen stellt die Ermittlung dar Höhe über dem Leitkabel eine wichtige Landehilfe dar, die ebenfalls mittels eines automatischen Reglers für Flughöhe ausgewertet werden kann. The measure of claim 2 allows without any special, additional Effort e.g. the display of the height of the vehicle above the guide wire and thus at Ships e.g. the display of the available draft. In the case of aircraft, the Determining the height above the guide wire is an important landing aid that is also important can be evaluated by means of an automatic controller for flight altitude.

Die bisher erläuterten Massnahmen reichen dazu aus, z.B. The measures outlined so far are sufficient, e.g.

das Schiff mittels des Kursreglers entlang dem Leitkabel zu führen. Für eine weitere Automatisierung- muss jedoch auch die Position des Fahrzeuges in Fahrtrichtung bekannt sein, damit.guide the ship along the guide wire using the course controller. For further automation, however, the position of the vehicle must also be in Direction of travel to be known so.

z.B. eine zentrale Leitstelle den Verkehrsfluss koordinieren kann. Die entsprechende Positionierung des Fahrzeuges in Längsrichtung der Fahrstrecke erfolgt erfindungsgemäss in besonders zweckmässiger Weise gemäss den Ansprüchen 3 bis 7, wobei das gleiche Leitkabel verwendet werden kann, das auch zur Kurspositionierung des Fahrzeuges dient. Die Massnahmen der Ansprüche 3 bis 7 sind darüber hinaus auch für Fahrzeuge geeignet, bei denen die Fahrstrecke anders als durch ein Leitkabel, z.B. durch eine Schiene vorgegeben ist. Die Positionierung in Längsrichtung der Fahrstrecke gemäss der Erfindung ist typischerweise mit einer Genauigkeit von 2 bis 4 m möglich bei einer Wellenlänge im Leitkabel von 12 bis 16 km. Im einzelnen hängt die zu ertrtende Genauigkeit davon ab, wie exakt man das Leitkabel mit seinem Wellenwiderstand abschliessen kann. Ungenauer Abschluss wie auch Inhomogenitäten der Leitung führen zu Reflexionen, die die Linearität der Fahrtenwinkelbeziehung stören. Der maximal auftretende relative Fehler liegt dabei etwa in der Grössenordnung des Reflexionsfaktors.E.g. a central control center to coordinate the flow of traffic can. The corresponding positioning of the vehicle in the longitudinal direction of the route takes place according to the invention in a particularly expedient manner according to the claims 3 to 7, whereby the same guide wire can be used that is used for course positioning of the vehicle. The measures of claims 3 to 7 are beyond that as well suitable for vehicles where the route differs from that of a guide cable, e.g. is specified by a rail. Positioning in the longitudinal direction of the Driving distance according to the invention is typically with an accuracy of 2 up to 4 m possible with a wavelength in the guide cable of 12 to 16 km. In detail the accuracy to be found depends on how exactly you attach the guide wire to your Can complete wave resistance. Inaccurate termination as well as inhomogeneities of the line lead to reflections that reduce the linearity of the travel angle relationship disturb. The maximum relative error that occurs is roughly in the order of magnitude the reflection factor.

Allerdings ist die eindeutige Auflösung der Angabe der Entfernung von einer bestimmten Stelle der Fahrstrecke nur bis zu einer maximalen Entfernung möglich, die /4, also ein Viertel der Kabel-Wellenlänge beträgt, was bei den angegebenen typischen Wellenlänge einer Entfernung von 3 bis 4 km entspricht. Um eine eindeutige Positionsbestimmung auch über grössere Entfernungen zu ermöglichen, kann der geschilderten fortlaufenden Entfernungsangabe eine inkrementale Markierung einzelner Stellen der Fahrstrecke überlagert werden, wozu das erfindungsgemässe Verfahren gemäss Anspruch 8 und die erfindungsgemässe Vorrichtung gemäss Anspruch 11 und 12 besonders geeignet sind. Mit diesen Massnahmen werden zweckmässigerweise aber auch andere Besonderheiten entlang der Fahrstrecke.B. However, the clear resolution is the indication of the distance from a certain point of the route only up to a maximum distance possible that is / 4, i.e. a quarter of the cable wavelength, which is the case with the specified typical wavelength corresponds to a distance of 3 to 4 km. To be clear To enable position determination even over large distances, the described one can continuous distance information an incremental marking of individual places of the Driving route are superimposed, including the method according to the invention according to claim 8 and the device according to the invention according to claims 11 and 12 are particularly suitable are. With these measures, however, other special features are expediently also along the route B.

starke Krümmungen, Gabelungen, Geschwindigkeitsbegrenzungen usw., markiert. Hierbei besteht der Vorteil, dass diese Markierungen auch in der Dunkelheit und überhaupt bei beschränkten Sichtverhältnissen, aber auch bei schneller Fahrt des Fahrzeuges problemlos auf elektrischem Wege erkennbar sind. Die Massnahmen gemäss Anspruch 12 haben dabei den Zweck, die Markierungen längs der Fahrstrecke von einer gemeinsamen zentralen Stelle aus übereinstimmend ändern zu können, indem die abgestrahlten Frequenzmuster durch Abschaltung einzelner Leiterpaare geändert werden. Hiermit können z.B. zeitweilige Verkehrsbestimmungen, z.B. Geschwindigkeitsbeschränkungen, angegeben werden. Für die erläuterte Markierung kann ebenfalls das gleiche Leitkabel wie für die Positionierung verwendet werden, welches für die Markierung zusätzlich die paareweise verdrillten Lelterpaare, die mit verschiedenen Frequenzen gespeist werden, enthält. Die Markierung gemäss der Erfindung ist ebenso wie die Positionierung in Längsrichtung der Fahrstrecke auch für nicht durch Leitkabel geführte, sondern z.B. durch Schienen geführte Fahrzeuge, anwendbar.sharp bends, forks, speed limits, etc., marked. The advantage here is that these markings can also be used in the dark and in general with limited visibility, but also when driving fast of the vehicle can be easily recognized electronically. The measures according to Claim 12 have the purpose that Markings along the route to be able to change consistently from a common central point by the emitted frequency pattern changed by switching off individual pairs of conductors will. This allows e.g. temporary traffic regulations, e.g. speed restrictions, can be specified. The same guide wire can also be used for the marking explained how to use for the positioning, which one for the marking additionally the pairs of parents, twisted in pairs, fed with different frequencies will contain. The marking according to the invention is just like the positioning in the longitudinal direction of the route also for not guided by guide cables, but e.g. vehicles guided by rails, applicable.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten an Hand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: Bild 1 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Positionierung über einem Leitkabel, Bild 2 eine vereinfachte Prinzipdarstellung einer orthogonalen Spulenanordnung zum Empfang des Magnetfeldes eines Leitkabels, Bild 3 ein Blockschaltbild eines fahrzeugseitigen Empfängers für die Kurs-Positionierung, Bild 4 ein Blockschaltbild eines Leitkabels zur Positionierung in Längsrichtung der Fahrstrecke, Bild 5 die Blockschaltbilder zweier fahrzeugseitigen Empfänger zur Positionierung in Längsrichtung der Fahrstrecke, Bild 6 ein Blockschaltbild eines Leitkabels zur Markierung von Stellen längs der Fahrstrecke, Bild 7 eine Schemadarstellung einer Spule im Leitkabel nach Bild 6, Bild 8 ein Blockschaltbild eines Empfängers zur Erkennung der Markierungen längs der Fahrstrecke, Bild 9 ein Funktionsdiagramm des aus Fahrzeug und Kursregler gebildeten Regelkreises. The following is the invention with further advantageous details explained in more detail on the basis of schematically illustrated exemplary embodiments. In the drawings show: Figure 1 a graphic representation to illustrate the positioning over a guide cable, Figure 2 a simplified basic representation of an orthogonal Coil arrangement for receiving the magnetic field of a guide cable, Figure 3 is a block diagram of an on-board receiver for course positioning, Figure 4 is a block diagram a guide cable for positioning in the longitudinal direction of the route, Figure 5 the Block diagrams of two receivers on the vehicle for positioning in the longitudinal direction the route, Figure 6 is a block diagram of a guide cable for marking Set along the route, Figure 7, a schematic representation of a coil in the guide wire According to Figure 6, Figure 8 is a block diagram of a receiver for recognizing the markings along the route, Figure 9 is a functional diagram of the vehicle and course controller formed control loop.

In den Bildern 1a und ib sind die geometrischen Verhältnisse dargestellt, die beim Positionieren eines Schiffes über einem Leitkabel eine Rolle spielen. Das Fahrzeug bzw. Schiff befindet sich inder Höhe h über dem Kabel 1, der Abstand pom Kabel beträgt r, der seitliche Abstand d. Es gelten die Beziehungen: r² = d² + h², tan # = d (1d) h Die Fahrtrichtung des Fahrzeuges bildet mit der Leitkabellinie den Kurswinkel #. Im weiteren soll vorausgesetzt werden dass die Frequenzen der Wechselströme im Leitkabel so gewählt werden, dass Verschiebeströme zu vernachlässigen sind. Das Wechselfeld breitet sich dann wie ein entsprechendes Gleichfeld aus. Im ungestörten Fall umgeben die Linien gleicher magnetischer Feldstärke konzentrisch das Leitkabel. (Bild la) Eventuelle stationäre Feldverzerrungen durch das Fahrzeug können durch spezielle Schaltungen elektrisch kompensiert werden. Fliesst im Leitkabel ein Wechselstrom der Amplitude Io, so hat die magnetische Feldstärke im Abstand r tangentiale Richtung und die Amplitude: Io H = 2#r (2) Fur den Winkel und den Kurswinkel r sollen die folgenden Beschränkungen gelten: -90°< # < 90° ; - 90° < # < 96° (3) Die in einer Spule durch ein axial einfallendes magnetisches Wechselfeld der Amplitude H (2) induzierte Spannungsamplitude U beträgt: U = A r µo allgemeine Permeabilitätskontante µr relative " " F effektiver Spulenquerschnitt n Windungszahl der Spule 10 Amplitude des Leitkabelstroms # Kreisfrequenz des Wechselstroms im Kabel A ist eine konstante Grösse, wenn der Strom im Leitkabel überall praktisch gleich gross ist, wofür zu sorgen ist.Figures 1a and 1b show the geometric relationships that play a role when positioning a ship over a guide cable. The vehicle or ship is at the height h above the cable 1, the distance pom cable is r, the lateral distance d. The following relationships apply: r² = d² + h², tan # = d (1d) h The direction of travel of the vehicle forms the course angle # with the guide cable line. In the following it should be assumed that the frequencies of the alternating currents in the guide cable are chosen so that displacement currents are negligible. The alternating field then spreads like a corresponding constant field. In the undisturbed case, the lines of equal magnetic field strength concentrically surround the guide wire. (Fig. La) Any stationary field distortions caused by the vehicle can be electrically compensated for using special circuits. If an alternating current with the amplitude Io flows in the guide cable, the magnetic field strength at a distance r has a tangential direction and the amplitude: Io H = 2 # r (2) The following restrictions should apply to the angle and the course angle r: -90 ° <# <90 °; - 90 ° <# <96 ° (3) The voltage amplitude U induced in a coil by an axially incident magnetic alternating field of amplitude H (2) is: U = A r µo general permeability constant µr relative "" F effective coil cross-section n number of turns of the coil 10 amplitude of the guide cable current # angular frequency of the alternating current in cable A is a constant value if the current in the guide cable is practically the same everywhere, which has to be taken care of.

Der auf dem Fahrzeug befindliche Empfänger misst die Komponenten der magnetischen Feldstärke (Hx, Hy, Hz) in dem mit dem Fahrzeug fest verbundenen Koordinatensystem x, y, z (Bild 1b), indem senkrecht zueinander angeordnete Spulen (Bild 2) dem Feld ausgesetzt werden. Die Amplituden der in den Spulen induzierten Spannungen betragen: Ux Ar cos / sin Uy =A/r cos # cos # (5) Uz = A/r sin # Während Uy immer das gleiche Vorzeichen behält für alle zulässigen Werte zur drehen-sich die Vorzeichen von Ux und Uz x. The receiver on the vehicle measures the components the magnetic field strength (Hx, Hy, Hz) in the one permanently connected to the vehicle Coordinate system x, y, z (Figure 1b) by placing coils perpendicular to each other (Photo 2) to be exposed to the field. The amplitudes of the induced in the coils Voltages are: Ux Ar cos / sin Uy = A / r cos # cos # (5) Uz = A / r sin # During Uy always keeps the same sign for all permissible values for turning the signs of Ux and Uz x.

für negatives / bzw. r um. Negative Vorzeichen bei den Amplituden Ux, Uz sollen bedeuten: Die betreffenden Wechselspannungen Ux bzw. Uz sind in Gegenphase zu Uy Die Phasenlage der Spannungen Ux, Uz zur Vergleichsphase Uy dient im Empfänger zur Festlegung des Vorzeichens von # bzw. d. for negative / or r um. Negative signs for the amplitudes Ux, Uz should mean: The respective alternating voltages Ux and Uz are in antiphase to Uy The phase position of the voltages Ux, Uz to the comparison phase Uy is used in the receiver to define the sign of # or d.

Aus den Spannungen (5) lassen sich zusammen mit (1) die Grössen d, h, und r bestimmen. Nach einfacher Rechnung erhält man: Das Prinzipschaltbild eines geeigneten Empfängers, wie er für die automatische Führung eines Schiffes realisiert und erprobt wurde, ist in Bild 3 angegeben.From the stresses (5) together with (1) the quantities d, h, and r can be determined. After a simple calculation you get: The basic circuit diagram of a suitable receiver, as it has been implemented and tested for the automatic guidance of a ship, is given in Figure 3.

Die in den Spulen 1, 2 und 3 induzierten Wechselspannungen ~ ~ -Ux, Uy, Uz werden in Filterverstärkern 4, die nur die gewünschte Frequenz durchlassen (Störunterdrückungen von Fremdspannungen), auf ein für die weitere Verarbeitung geeignetes Niveau Ux, Uy, Uz gebracht. The alternating voltages induced in coils 1, 2 and 3 ~ ~ -Ux, Uy, Uz are in filter amplifiers 4, which only let the desired frequency through (Interference suppression of external voltages), on one for further processing appropriate level Ux, Uy, Uz brought.

Die Verstärker haben die genau definierte Verstärkung VO, so dass gilt: ~ ~ Ux',y,z = Vo Ux,y,z Die phasenempfindlichen Gleichrichter 5 sind hier z.B. als Multiplizierer ausgeführt. Die Phasenvergleichsspannung Uy' wird dabei den Multiplizierern über einen Zweipunktschalter 6 zugeführt, der die sinusförmige Spannung mit variierender Amplitude in eine Rechteckspannung mit stets gleicher Amplitude umsetzt. Zweiter Multiplikant ist ~ ~ die gleichzurichtende Spannung Ux' bzw. Uz'. Bei Gleichphase der gleichzurichtenden Spannung ist das Produkt positif, bei Gegenphase negativ.The amplifiers have the precisely defined gain VO, so that applies: ~ ~ Ux ', y, z = Vo Ux, y, z The phase-sensitive rectifiers 5 are here e.g. implemented as a multiplier. The phase comparison voltage Uy 'becomes fed to the multipliers via a two-point switch 6, the sinusoidal Voltage with varying amplitude into a square-wave voltage with always the same Amplitude converts. The second multiplicant is ~ ~ the voltage to be rectified Ux ' or Uz '. If the voltage to be rectified is in phase, the product is positive, negative for opposite phase.

Anschliessende Siebglieder 7 glätten die gleichgerichtete Spannung. Die auf diese Weise erhaltenen Gleichspannungen Uz' und Ux' enthalten berei die erforderliche Vorzeicheninformation für d bzw.#. Uy' wird durch einfache Gleichrichtung mit dem Gleichrichter 7 und anschliessende Siebung mit dem Sie glied 8 gewonnene auf diese Weise gewonnenen Spannungen Ux', Uy', Uzt sind gerade die um V0 verstärkten Amplituden Ux, UyX Uz (5). Sie werden einer analogen Rechenschaltung zugeführt, die die Werte d, h und t entsprechend den Gleichungen (6) berechnet.Subsequent sieve members 7 smooth the rectified tension. The direct voltages Uz 'and Ux' obtained in this way already contain the required sign information for d or #. Uy 'is obtained by simple rectification with the rectifier 7 and subsequent sieving with the member 8 obtained The voltages Ux ', Uy', Uzt obtained in this way are precisely those amplified by V0 Amplitudes Ux, UyX Uz (5). They are fed to an analog computing circuit, which calculates the values d, h and t according to equations (6).

und drei Multiplizierer 15, drei Dividierer 9, einen Summierer 10, einen Radizierer 11, ein Funktionsglied für arctan sowie zwei Potentiometer 13 in der aus Bild 3 genau ersichtlichen Zusammenschaltung umfasst, welche unmittelbar die Ausdrücke (6) nachbildet, Für das Verfahren und die Vorrichtung zur genauen Positionsbestimmung und zur automatischen Führung von Fahrzeugen gemäss der Erfindung ist also wesentlich eine vorzeichenrichtige und zahlenmässig genaue Bestimmung des horizontalen Abstandes d sowie des Kurswinkels y. Die Grössen werden für die Kursregelung des Fahrzeuges benötigt.and three multipliers 15, three dividers 9, one summer 10, a square root 11, a function element for arctan and two potentiometers 13 in the interconnection clearly shown in Figure 3, which directly mimicking the expressions (6), For the method and apparatus to be accurate Position determination and for the automatic guidance of vehicles according to the invention is therefore essentially a correctly signed and numerically exact determination of the horizontal distance d as well as the course angle y. The sizes are used for course regulation of the vehicle is required.

Anwendungsbeispiel: Die beschriebene Vorrichtung wurde zur Positionsbestimmung und zur automatischen Kursregelung eines Schiffes über einem, im Flussbett verlegten Leitkabel (Kabelstrom 0,1 A, Frequenz 5 KHz) eingesetzt. Die Versuchsstrecke auf dem Neckar bei Stuttgart besitzt eine Länge von 4 km; die Wassertiefe auf dem verlegten Abschnitt schwankt zwischen 3,5 m und 8 m. Application example: The device described was used for position determination and for the automatic course control of a ship over one laid in the river bed Guide cable (cable current 0.1 A, frequency 5 KHz) is used. The test track on the Neckar near Stuttgart has a length of 4 km; the depth of the water on the laid Section varies between 3.5 m and 8 m.

Bei einer Auflösung der seitlichen Abweichung vom Kabel auf + 10 m wurde eine Genauigkeit von 0,1 m (1 96) erreicht, die sich durch genauere Rechenkomponenten noch vergrössern lassen dürfte. Der Kursregler regelte den seitlichen Abstand des Schiffes zum Leitkabel auf einen vorgegebenen Sollwert. Durch die Wahl der Sollwerte der -seitlichen Abweichungen +6 m bzw.With a resolution of the lateral deviation from the cable to + 10 m an accuracy of 0.1 m (1 96) was achieved, which is achieved through more precise computing components can still be enlarged. The course controller regulated the lateral distance of the Ship to the guide wire to a predetermined setpoint. By choosing the setpoints the lateral deviations +6 m or

- 6 m wurden zwei Fahrspuren über dem Leitkabel geschaffen, die auf geraden Strecken auf + 0,2 m vom Regler eingehalten wurden.- 6 m, two lanes were created above the guide wire, which on straight stretches of + 0.2 m have been observed by the controller.

Ein Schiff mit dem zuvor erläuterten Empfänger und einem geeignet ausgelegten Kursregler bildet einen Regelkreis, dessen Struktur in Bild 9 dargestellt ist. Die vom Empfänger 1 bis 15 gelieferten Positionssignale < und d werden einem Kursregler 16 zugeführt, welcher ein Differenzierglied 17 für das Positionssignal fumfasst. Mit einem Vergleichsglied 18 findet im Kursregler ein Vergleich mit einer Führungsgrösse w statt, welche einem bestimmten, gewünschten horizontalen Sollabstand zwischen dem Leitkabel und dem Schiff entspricht. Die drei Signale w ç / w - d werden mittels dreier Verstärker 19 verstärkt, deren Verstärkungsfaktoren ki in an sich bekannter Weise entsprechend einem Gütekriterjum für die Regelung für eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit des Schiffes festgelegt sind. Die Ausgangssignale der Verstärker 19 werden in einem Knotenpunkt 20 zusammengeführt. A ship with the recipient explained above and a suitable one The designed course controller forms a control loop, the structure of which is shown in Figure 9 is. The position signals <and d supplied by the receiver 1 to 15 become one Course controller 16 is supplied, which has a differentiating element 17 for the position signal includes. A comparison element 18 is used in the course controller to make a comparison with a Command variable w instead of which a certain, desired horizontal Corresponds to the target distance between the guide wire and the ship. The three signals w ç / w - d are amplified by means of three amplifiers 19, their amplification factors ki in a manner known per se corresponding to a quality criterion for the regulation are set for a certain speed of the ship. The output signals the amplifiers 19 are brought together in a node 20.

Auf den Kursregler 16 folgt ein gegenüber dem dynamischen Verhalten der Regelstrecke schneller Hilfsregelkreis 14, der über eine Hydraulik den gewünschten Ruderwinkel ffi einstellt. The course controller 16 is followed by a dynamic behavior the controlled system faster auxiliary control circuit 14, the desired via a hydraulic Adjusts the rudder angle ffi.

Dieser Hilfsregelkreis 14 spricht erst an, wenn an seinem Eingang ein Signal vom Knotenpunkt 20 anliegt, das in seiner Amplitude ein gewisses Totband überschreitet. Damit wird die Arbeit der Rudermaschine möglichst klein gehalten.This auxiliary control circuit 14 only responds when at its input a signal from the node 20 is present, the amplitude of which has a certain dead band exceeds. This keeps the work of the rowing machine as small as possible.

Zur Positionierung eines entlang dem Leitkabel fahrenden Fahrzeuges in Fahrtrichtung auf der vorgegebenen Fahrstrecke, also zur Positionsbestimmung längs des Leitkabels,erfolgt eine Auswertung der zeitlichen Differenz der Nulldurchgänge zwischen im Leitkabel sich ständig ausbreitenden hin- und rücklauf enden Wellen. Dazu werden die das Kabel vmgebenden, von hin- und rücklaufender Welle erzeugten magnetischen Wechselfelder von einem geeigneten Empfänger auf dem Fahrzeug empfangen und analysiert. Hin- und rücklaufende Wellen werden dadurch unterschieden, dass die rücklaufende Welle ein Vielfaches der Frequenz der hinlaufenden Welle besitzt. Um dies zu erreichen, wird am Kabelende ein aktiver Reflektor installiert, der durch phasenstarre Frequenzvervielfachung die rücklaufende Welle erzeugt. Störende Reflexionen gleicher Frequenz werden durch Abschluss mit dem jeweiligen Wellenwiderstand am Ende bzw. Anfang des Kabels vollständig unterdrückt. For positioning a vehicle traveling along the guide wire in the direction of travel on the specified route, i.e. to determine the position along the guide cable, the time difference between the zero crossings is evaluated between waves traveling back and forth in the guide wire. For this purpose, the wave that vmges the cable and is generated by the wave going back and forth alternating magnetic fields received by a suitable receiver on the vehicle and analyzed. Waves going back and forth are distinguished by the fact that the returning wave has a multiple of the frequency of the outgoing wave. To achieve this, an active reflector is installed at the end of the cable, which through phase-locked frequency multiplication generates the returning wave. Disturbing reflections of the same frequency are achieved by terminating with the respective wave impedance on End or beginning of the cable completely suppressed.

Ist & die Wellenlänge der hinlaufenden Welle auf dem Kabel und rl/k die der rücklaufenden Welle (k = rationale Zahl), so kann etwa eine Länge von /2k eindeutig vom Empfänger aufgelöst werden. Die zu verwendende Frequenz ist durch die aufzulösende Länge bestimmt. Is & the wavelength of the outgoing wave on the cable and rl / k that of the returning wave (k = rational number), then a length from / 2k can be uniquely resolved by the recipient. The frequency to use is determined by the length to be resolved.

Eine mögliche Beschaltung des verlegten Leitkabels, wie sie für ein längs des Leitkabels fahrendes Schiff realisiert wurde, ist in Bild 4 dargestellt. Der Faktor k wurde dabei zu k = 2 gewählt. A possible wiring of the laid guide cable, as it is for a A ship moving along the guide wire is shown in Figure 4. The factor k was chosen to be k = 2.

Ein Sinusgenerator 21 der Frequenz f mit vernachlassigbarem Innenwiderstand speist die Leitung der Länge L über den Widerstand 7.2. A sine wave generator 21 of frequency f with negligible internal resistance feeds the line of length L via resistor 7.2.

Das Fahrzeug hat den Abstand a vom Ende der. Leitung. Am Ende der Leitung befindet sich die aktive Reflexion. Eine GabelschaltuWg 22 schliesst die ankommende Welle der Frequenz f mit ihrem Wellenwiderstand Zl reflexionsfrei ab und speist die Frequenz der rücklaufenden Welle 2f in die Leitung ein. Die Frequenz 2f wird dazu durch phasenstarre Frequenzverdopplung aus der Frequenz f gewonnen Ein Filter 23 filtert die Frequenz f heraus, diese wird in einem Verdoppler24 verdoppelt und über ein Phasenkorrekturglied25, mit dem die Phasenlage zwischen ankommender und abgehender Welle eingestellt werden kann, einem Leistungsverstärker z zugeführt, der die Gabel 22 speist. Die rücklaufende Welle mit der doppelten Frequenz ist am Anfang der Leitung mit ihrem: Wellenwiderstand Z2 reflexionsfrei abgeschlossen..The vehicle is at a distance of a from the end of the. Management. At the end of Conduction is the active reflection. A fork switch 22 closes the incoming wave of frequency f with its wave resistance Zl reflection-free and feeds the frequency of the returning wave 2f into the line. The frequency For this purpose, 2f is obtained from frequency f by phase-locked frequency doubling A filter 23 filters out the frequency f, which is doubled in a doubler 24 and a phase correction element 25, with which the phase position between incoming and outgoing wave can be adjusted, fed to a power amplifier z, which feeds the fork 22. The returning wave with twice the frequency is am Beginning of the line with its: Characteristic impedance Z2 completed without reflection.

In Bild 5 sind zwei Beispiele für geeignete Empfänger, wie sie für ein über dem Leitkabel fahrendes Schiff entworfen und realisiert wurden, dargestellt. In Figure 5 are two examples of suitable recipients, such as those for a ship traveling above the guide wire were designed and realized.

Das das Leitkabel umgebende magnetische Wechselfeld induziert, in den Empfangsspulen31 Spannungen der Frequenzen f und 2f. Beide Frequenzen werden durch geeignete Filterverstärker32,33getrennt und auf ein für die weitere Verarbeitung geeignetes Niveau angehoben. Im Empfänger nach Bild 5a wird weiter die Frequenz f in einer phasenstarren Verdopplerschaltung X zu verdoppelt. Mit dem anschliessenden Phasenkorrekturglied35 kann der gewünschte Nullpunkt cingestellt werden. Der mit dem Phasenwinkelmessgerätj7 gemessene Phasenwinkel ## ist direkt proportional zum Abstand a des Fahrzeuges vom Ende der Leitung (Bild 4). The alternating magnetic field surrounding the guide wire induces in the receiving coils 31 voltages of the frequencies f and 2f. Both frequencies will be separated by suitable filter amplifiers 32,33 and transferred to one for further processing appropriate level raised. In the receiver according to Figure 5a, the frequency is also f in a phase-locked doubler circuit X to be doubled. With the subsequent Phase correction element 35 can be set to the desired zero point. The one with The phase angle ## measured by the phase angle measuring device j7 is direct proportional to the distance a of the vehicle from the end of the line (Fig. 4).

Im Empfänger nach Bild 5b wird hinter den Filterverstärkern 34D die Frequenz f zunächst einem Phasenkorrekturglied 5 zugeführt, mit dem der gewünschte Nullpunkt einzustellen ist. Dann werden beide Wechselspannungen einer Zeitmesseinrichtung B zugeführt, welche die zeitliche Differenz der Nulldurchgänge zwischen der Wechselspannung mit der Frequenz f und derjenigen mit der Frequenz 2f misst (Mittelwertbildung).In the receiver according to Figure 5b, the Frequency f first fed to a phase correction element 5, with which the desired Zero point is to be set. Then both AC voltages become a timing device B supplied, which is the time difference between the zero crossings between the AC voltage measures with frequency f and that with frequency 2f (averaging).

Diese Zeitdifferenz ist direkt proportional zum Abstand a (Bild 4).This time difference is directly proportional to the distance a (Fig. 4).

Zur erzeugung von Marken oder Markierungen längs der Fahrstrecke mit grosser unterscheidender Aussagekraft der einzelnen Markierungen werden an den zu markierenden Stellen jeweils durch eine geeignete Vorrichtung Frequenzmuster in Form magnetischer Wechselfelder abgestrahlt. Die Frequenzmuster werden mit Hilfe einer Induktionsspule auf dem Fahrzeug empfangen und in einem Empfänger decodiert. Die Marken können Besonderheiten entlang der Fahrstrecke markieren, z.B. starke Krümmungen, Gabelung der Fahrstrecke, erforderliche GcschwindiI:lceitsbegrenzungen etc., oder auch für eine Positionsbestimmung in Fahrtrichtung verwandt werden. To generate marks or markings along the route with great distinctive expressiveness of the individual markings are attached to the Areas to be marked by means of a suitable frequency pattern in each case radiated in the form of alternating magnetic fields. The frequency patterns are using an induction coil on the vehicle and decoded in a receiver. The marks can mark special features along the route, e.g. strong ones Curvatures, Bifurcation of the route, required speed limits, etc., or can also be used to determine a position in the direction of travel.

Zur Erzeugung der Frequenzmuster werden n paarweise verdrillte Leiterpaare eines entlang der Fahrstrecke verlegten mehradrigen Kabels mit n verschiedenen Frequenzen gespeist. An den zu markierenden Stellen werden entsprechend einem Code die magnetischen Wechselfelder bestimmter Frequenzen mit Hilfe von Spulen, die wie Pupin-Spulen gescha tet sind, stark verstärkt abgestrahlt. Ein mit derartigen Markierungen Mk versehenes Kabel ist, wie es für ein über einem Leitkabel fahrendes Schiff ausgeführt wurde, in Bild 6 dargestellt. Es werden hier als Beispiel drei verschiedene Frequenzen fl, f2 und f3 in das Kabel eingespeist. Die einzelnen Leitungen sind am Ende mit ihren Wellenwiderständen Z 1-Z3 abgeschlossen. Die Marken Ml-M7 sind hier dual codiert in der Marke M3 werden z.B. die Frequenzen fl und f2 abgestrahlt. Allgemein können mit n verschiedenen Frequenzen 2n -l verschiedene Markierungen hergestellt werden. Eine einzelne Spule einer Marke ist in Bild 7 dargestellt. Dabei stellt 41 die verdrillteDoppelleitung dar, 42 die hier ringförmig ausgeführte Spule einer Marke (mit zwei Windungen) fur eine bestimmte Frequenz. Wird mehr als eine Frequenz abgestrahlt, so ist eine entsprechende Anzahl gleichartiger Spulen zu verwenden. Alle Spulen einer Marke werden zweckmässig in einem gemeinsamen Ring zusammengefasst (z.B.aus mehradrigem Kabel). Grösse der Spulen und Windungszahl sind durch die zu überbrückende Distanz Marke-Empfätgez bestimmt. Bei den beispielsweise für ein Schiff ausgeführten Markierulge waren Entfernungen von bis zu 10 m zu überbrüclcen. Die gesamte Windungszahl einer Markenspule betrug 4, der Durchmesser der Spule 1 m, der Wechselstrom in den Spulen 0.1 A. Damit das Ubersprechen in den Marken von einer Frequenz auf eine andereßbei vielen Marken sich nicht unzulässig autfsummiert, sind in aufeinanderfolgenden Marken, die gleiche Frequenzen enthalten, die jeweiligen Spulen gegensinnig zu verkoppeln. To generate the frequency pattern, n pairs of twisted pairs are used a multi-core cable with n different frequencies laid along the route fed. At the points to be marked, the magnetic Alternating fields of certain frequencies with the help of coils, which are created like Pupin coils tet are radiated strongly. A provided with such markings Mk Cable is as it was designed for a ship traveling over a guide cable, shown in Figure 6. Three different frequencies are used here as an example fl, f2 and f3 fed into the cable. The individual lines are at the end with their wave resistances Z 1-Z3 completed. The marks Ml-M7 are dual coded here in the M3 mark, for example, the frequencies fl and f2 are emitted. Generally can with n different frequencies 2n -l different markings can be produced. A single reel of a brand is shown in Figure 7. 41 represents the twisted pair line 42 the here ring-shaped coil of one brand (with two turns) for a certain frequency. If more than one frequency is emitted, a corresponding one is used Use number of similar coils. All coils of a brand become functional combined in a common ring (e.g. from a multi-core cable). Size of the The coils and number of turns are determined by the distance to be bridged mark-reception certainly. In the case of the marking ulges carried out for a ship, for example, distances were to be bridged by up to 10 m. The total number of turns of a branded coil was 4, the diameter of the coil 1 m, the alternating current in the coils 0.1 A. So that the Crosstalk in the brands from one frequency to another many brands are not added together inadmissibly, are in successive brands, contain the same frequencies to couple the respective coils in opposite directions.

Bild 8 zeigt das Blockschaltbild eines für drei Markenfrequenzer geeigneten Empfängers, wie er für das über dem Kabel fahrende Schiffrealisiert wurde. Die magnetischen Wechselfelder der verschiedener Markenfrequenzen induzieren in der Empfangsspule51 entsprechende Spannungen Die Spannungen verschiedener Frequenzen werden in Filterverstärkern 52 -getrennt und auf ein für die weitere Verarbeitung geeignetes Niveau angehoben. Figure 8 shows the block diagram of one for three branded frequency drives suitable receiver, as it was realized for the ship moving over the cable. The alternating magnetic fields of the various mark frequencies induce in voltages corresponding to the receiving coil51 The voltages of different frequencies are separated in filter amplifiers 52 and sent to one for further processing appropriate level raised.

Gleichrichter53 richten die Spannungen gleich und Siebglieder54 sieben hochfrequente Störspannungen heraus. Steigt die Spannung hinter den Siebgliedern in einem bestimmten Kanal über ein bestimmtes Niveau so sprechen Schwellenschalter 5 an. Die Ausgänge der Schwellenschalter sind auf einen Speicher 56 geführt. Der Speicher übernimmt jeweils den neuen Wert, wenn die Signalerlcennung53 durch Auswertung der Spannungen an den Siebgliedern X das Vorhandensein einer Marke erkannt hat. Die anschliessende Dekodierung S identifiziert die vorhandene Marke. Rectifiers53 rectify the voltages and filter elements54 seven high-frequency interference voltages. The tension behind the sieve elements increases Threshold switches so speak in a certain channel above a certain level 5 at. The outputs of the threshold switches are fed to a memory 56. Of the The memory takes over the new value each time the signal detection53 is evaluated the tensions on the sieve members X has recognized the presence of a mark. The subsequent decoding S identifies the existing mark.

/Patentansprüche/ Claims

Claims

Claims X method for precise positioning of a vehicle, Special of a ship, over a route indicating the route, of alternating current guide cable through which there is a magnetic field in the vicinity of the guide cable is received by means of a coil arrangement mounted on the vehicle and the in the coil arrangement induced voltages are evaluated electrically, thereby G e k e n n n -z e i n e t that one is induced, due to a magnetic field a constant alternating current in the guide wire according to direction and size Phase-sensitive rectification of voltages so that the corresponding direct voltages are used converted into two position signals in a computing circuit, which continuously denotes the current horizontal lateral distance of the vehicle from the guide wire and its Indicate course angle to the guide wire and that one is using the position signals an automatic course controller for the vehicle is applied, which acts as a reference variable receives a certain horizontal target distance.

2. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that a further position signal is generated from the DC voltages, which indicates the height of the vehicle above the guide wire.

3. The method according to the preamble of claim 1, in particular according to Claim 1 or 2, characterized in that one for positioning of the vehicle in the longitudinal direction of the route the guide cable in such a way with alternating current acted upon, that in it there is a constant traveling wave and a frequency distinguishable from it returning wave propagates, and that one the mutual phase position of the two waves on the basis of the corresponding, in one Coil arrangement of the vehicle induced voltages determined and used as a measure for shows the distance from a certain point on the route.

4. The method according to claim 3, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that one is the time difference between the zero crossings of the going back and forth Waves determined.

5. The method according to claim 3 or 4, characterized g e k e n nz e i c h n e t that the frequency of the returning wave is a multiple, preferably that Twice the frequency of the returning wave is.

6. The method according to claim 5, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the returning wave by phase-locked frequency multiplication of the outgoing Wave at the end of the guide wire is obtained.

7. The method according to claim 6, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the returning wave is obtained by means of active reflection.

8. The method according to the preamble of claim 1, in particular according to one of claims 1 to 7, characterized g e -k e n n n z e i c h ne t that one to Generation of electrically readable markings at certain points along the route emits magnetic fields from the guide wire in a specific frequency pattern and each Frequency pattern on the basis of the corresponding, in a coil arrangement of the vehicle induced voltages are decoded into a marker signal that is displayed.

9. Apparatus for performing the method according to claim 1 or 2 with one firmly attached to the vehicle Coil assembly, which comprises three coils perpendicular to one another, g e k e n n n z e i c h n e t by phase-sensitive rectifiers for the voltages induced in the coils a computing circuit connected to the rectifier for generating position signals, which continuously shows the current horizontal lateral distance of the vehicle from the guide wire and its course angle from the guide wire, and by a Course controller for the vehicle, which with the position signals of the computing circuit and acted upon with a certain horizontal target distance as a reference variable will.

10. The device according to claim 9, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the arithmetic circuit in simulating the expressions A Uz = Ux d =, # = arctan Ux² + Uy² + Uz² Uy, where d is the horizontal lateral distance the course angle A is a constant, among other things dependent on the current in the guide wire and Ux, UY, Uz mean the direct voltages coming from the three coils.

11. Apparatus for performing the method according to claim 8, characterized NOTICE that a guide wire with multiple, of alternating currents different frequency fed pairs of conductors is provided, and that on each Marking site in a selected combination of conductor pairs accordingly the respectively desired frequency pattern coils are inserted.

12. The device according to claim 11, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the supply of individual conductor pairs of the guide cable can optionally be switched off is.