DE69211287T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Determinieren der Orientation eines Objektes - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung eines beliebigen Körpers in einem gegebenen Raum.
• Zahlreiche Systeme erfordern die Kenntnis und eine kontinuierliche Verfolgung der Richtungsparameter eines Körpers in einem gegebenen Bezugssystem praktisch in Echtzeit. Dies gilt insbesondere für Visiersysteme, die im Helm selbst eines Flugzeug- oder Hubschrauberpiloten montiert sind und den Piloten das Bild eines ins Unendliche projizierten synthetischen Bilds in Überlagerung mit der Außenlandschaft beobachten lassen. Die dem Piloten präsentierten Bilder müssen unbedingt mit dem Bezugssystem des Trägers (Flugzeug, Hubschrauber usw.) korreliert bleiben, trotz der Bewegungen des Helms bezüglich des Trägers, um beispielsweise ein anvisiertes Ziel einem Waffensystem zu bezeichnen.
• Es ist bekannt, einen elektromagnetischen Positions- und Richtungsdetektor zu verwenden, der einerseits einen in einem gegebenen Bezugssystem fixierten Sender mit drei abwechselnd von einem Generator angeregten Spulen und andererseits eine am Körper befestigte Sonde enthält, die ebenfalls drei Spulen besitzt, so daß jeder Lage des Körpers neun von den Spulen des Senders induzierte Signale entsprechen, die eine Berechnung der Lage und Richtung des Körpers erlauben. Die elektromagnetischen Felder, die erzeugt oder induziert werden, können jedoch erheblich durch alle metallischen Elemente in der Umgebung gestört werden, und ein solcher Detektor erfordert entweder Hilfsmitteln, um ein Bezugssignal für eine Korrektur zu liefern (französisches Patent 2 655 415), oder eine Modellbildungs-Vorphase, die die Störungen berücksichtigt.
• Es gibt auch elektrooptische Systeme, bei denen auf dem Körper eine gewisse Anzahl von punktförmigen oder Flächen-Marken angebracht sind, die senden oder auch nicht senden und deren Lage in einem Koordinatensystem Rs des Körpers genau bekannt ist. Dann wird durch im Bezugssystem R&sub0; des Meßraums ortsfeste optische Sonden die Lage einer gewissen Anzahl von Geraden oder Kurven erfaßt, die mindestens zwei unterschiedliche Marken des Körpers miteinander verbinden. Man kann zeigen, daß der Meßfehler der Richtungsparameter des Körpers einerseits proportional zur Ungewißheit der Lagemessung der Marken im Bezugssystem R&sub0; und andererseits umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den Marken ist. Solche Systeme sind also eher für Körper großer Abmessungen geeignet, an denen die Marken weit voneinander entfernt liegen können, aber die Messungen erfordern stets die Berechnung der Lage mindestens zweier Punkte des Körpers.
• Außerdem ist aus der Druckschrift GB-A-2 157 426 ein optisches Verfahren zur Bestimmung der Richtungsparameter eines mit einem ersten Körper verknüpften Koordinatensystems Rs bezüglich eines mit einem zweiten Körper, Bezugskörper genannt, verknüpften Bezugssystems R&sub0; bekannt, das eine Projektion eines Lichtstrahlbündels ausgehend von einem ersten Körper und einen Empfang eines Lichtstrahlenbündels durch eine Elementarsonde des zweiten Körpers beinhaltet.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die obengenannten Nachteile oder Begrenzungen zu überwinden und ein optisches Verfahren zur Bestimmung der Richtung eines beliebigen Körpers bezüglich eines Bezugssystems R&sub0; unabhängig von der Lage dieses Körpers in diesem Bezugssystem vorzuschlagen.
• Genauer betrachtet betrifft die Erfindung ein optisches Verfahren zur Bestimmung der Richtungsparameter eines Koordinatensystems Rs, das mit einem ersten Körper verknüpft ist, bezüglich eines Bezugssystems R&sub0;, das mit einem zweiten Körper, Bezugskörper genannt, verknüpft ist, wobei dieses Verfahren die Projektion eines Lichtstrahlbündels durch den ersten Körper und den Empfang eines Lichtstrahlbündels durch eine Elementarsonde des zweiten Körpers aufweist und die im Anspruch 1 definierten Merkmale enthält.
• Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, die dieses Verfahren durchzuführen gestattet und in den Ansprüchen 2 bis 9 definiert ist.
• Die Erfindung sowie ihre Vorzüge werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• Figur 1 (Figur 1a und Figur 1b) zeigt das Verfahren zur Bestimmung der Richtungsparameter gemäß der Erfindung in einem zweidimensionalen Meßraum.
• Figur 2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Erweiterung auf einen dreidimensionalen Meßraum.
• Es sei nun die elementarste Hypothese für Figur 1a angenommen, gemäß der die Messung in einem zweidimensionalen Bezugsraum R&sub0; mit den Basisvektoren (i&sub0;, j&sub0;) erfolgt. Ein Körper 1 soll in einer zum Meßraum koplanaren Ebene liegen und durch Rs und (is, js) bestimmt sein. Die Richtung des Körpers 1 in diesem Meßraum ist vollständig bestimmt, sobald man einen im System Rs bekannten Vektor im System R&sub0; ausdrücken kann.
• Es sei ein Vektor u angenommen, der im System Rs genau bekannt ist, beispielsweise durch den Winkel Θs, den er mit is einschließt. Die gestellte Aufgabe ist vollständig gelöst, sobald man einerseits u im Koordinatensystem R&sub0; ausdrücken kann, beispielsweise durch den Winkel Θ&sub0;, und andererseits an das System R&sub0; eine Information übertragen kann, die eine Identifizierung beispielsweise des Winkels Θs im System Rs erlaubt. Die Kenntnis von Θs und Θ&sub0; im gleichen Meßraum ermöglicht dann die Ermittlung des Winkels (Θs-Θ&sub0;) zwischen den Vektoren is und i&sub0;, der so die Richtung von bezüglich R&sub0; charakterisiert.
• Das erfindungsgemäße Meßverfahren beruht auf dem obigen Prinzip, wie in Figur 1 gezeigt ist.
• Ausgehend von einem ersten Körper 1 im Koordinatensystem Rs (S, is, js) wird ein Bündel von im wesentlichen zueinander parallelen Lichtstrahlen in der Richtung u ausgestrahlt, die im System Rs beispielsweise durch den Winkel Θs identifiziert werden kann. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung enthält das Bündel eine Information bezüglich der Lage von u in Rs, beispielsweise den Winkel Θs. Außerdem empfängt im zweidimensionalen Meßraum, der durch einen zweiten Körper 3 materialisiert wird und mit dem ersten Körper 1 koplanar ist, sowie die Bezugskoordinaten in R&sub0; (0, i&sub0;, j&sub0;) besitzt, eine optische Elementarsonde 4, die an einem im System R&sub0; bestimmten Punkt C liegt, die aus einer genau im System R&sub0;, beispielsweise durch den Winkel Θ&sub0; bekannten Richtung kommenden Strahlen. Wenn zwischen den Richtungen u und v Koinzidenz vorliegt, ergibt sich unmittelbar ohne Berechnung der Ausdruck für u im System R&sub0;. Gemäß einem anderen wesentlichen Merkmal der Erfindung besitzt die Sonde 4 nicht dargestellte Lesemittel, die die in den aufgefangenen Strahlenbündeln enthaltene Information lesen können. Die gleichzeitige Kenntnis von u in R&sub0; und in Rs ermöglicht dann die Berechnung der Richtungsparameter von Rs bezüglich R&sub0;, die in diesem konkreten Fall einfach aus einem Winkel bestehen können.
• Um einen Körper zu erfassen und zu verfolgen, unabhängig von seiner Richtung und seiner Lage in einem be stimmten Meßfeld, ist es günstig, von einem ersten Körper 1 eine Vielzahl von Strahlenbündeln auszusenden, wobei jeder Strahl eines Bündels im wesentlichen parallel zur Richtung ui verläuft und jedes Bündel eine Identifikationsinformation über die Richtung ui bezüglich des Systems Rs besitzt. Der zweite Körper 3 verfügt dann über mehrere Elementarsonden Cj, die je ein Strahlenbündel aus einer bestimmten Richtung Vj auffangen können.
• Die Berechnung der Richtungsparameter des Koordinatensystems Rs bezüglich des Systems R&sub0; hängt von der Anzahl der aufgefangenen Richtungen ab, wobei diese Anzahl höchstens gleich der Zahl von Elementarsonden Cj ist. Im Fall der Figur 1b erkennt man, daß eine einzige aufgefangene Richtung den Winkel zwischen den Vektoren is und i&sub0; zu ermitteln erlaubt, der ganz allein ausreicht, um die relative Richtung von zwei koplanaren Koordinatensystemen zu charakterisieren.
• Figur 2 zeigt eine Erweiterung der Erfindung auf einen dreidimensionalen Meßraum mit dem Bezugssystem R&sub0; (0, i&sub0;, j&sub0;, k&sub0;). Dieser Raum wird beispielsweise durch eine Pilotenkabine eines Flugzeugs oder eines Hubschraubers materialisiert. In diesem Meßraum befinden sich eine oder mehrere Elementarsonden 4 mit dem Bezugszeichen Cj, die bezüglich des Systems R&sub0; fixiert sind. Jede dieser Sonden Cj kann alle oder einige Strahlen eines Lichtbündels auffangen, wobei diese Strahlen im wesentlichen parallel zu einer im System R&sub0; genau identifizierbaren Richtung Vj verlaufen. Ein im Meßraum beweglicher Körper 1 ist mit einem Koordinatensystem Rs (S, is, js ks) verknüpft. Dieser Körper kann beispielsweise der Visierhelm des Piloten sein. Erfindungsgemäß besitzt der Körper 1 an seiner Peripherie eine oder mehrere Vorrichtungen 5 zur Erzeugung eines Bündels von im wesentlichen zu einer Richtung ui parallelen Lichtstrahlen, wobei diese Richtung im Koordinatensystem Rs genau identifizierbar ist. Wie Figur 2 zeigt, kann eine Elementarsonde ein aus einer Richtung ui kommendes Lichtstrahlbündel erfassen, wobei i sich von j unterscheidet. Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung enthält jedes von einer Vorrichtung 5 erzeugte Lichtstrahlbündel eine Information zur Identifizierung der Richtung ui bezüglich des Koordinatensystems Rs. Jede Elementarsonde 4 besitzt ebenfalls Lesemittel 6, um die im teilweise oder ganz aufgefangenen Lichtstrahlbündel enthaltene Information zu lesen. Eine gewisse Anzahl von Informationen wird dann an eine Vorrichtung 7 übermittelt, die die Richtungsparameter des Körpers 1, d.h. des Koordinatensystems Rs bezüglich des Meßraums, d.h. des Bezugssystems R&sub0; berechnet. In der Praxis sind die Vorrichtungen 5 optische Systeme, die ein Bild im Unendlichen erzeugen, indem ein Bündel von im wesentlichen zu einer gegebenen Richtung parallelen Lichtstrahlen projiziert wird. Die Information über diese Richtung entspricht physisch der Intensitätsmodulation der verschiedenen Strahlen eines gemeinsamen Bündels.
• Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, die darin besteht, die Vorrichtungen 5 in mehreren Mehrstrahlenvorrichtungen 10 zusammenzufassen, die beispielsweise von einem synthetischen Bild 8 gebildet werden, das sich in der Brennebene eines Kollimationsobjektivs 9 befindet, so daß das synthetische Bild ins Unendliche projiziert wird. Jeder Punkt Ej eines synthetischen Bilds 8 entspricht einer festen Richtung des Systems Rs und erzeugt aufgrund des Kollimationsprinzips ein Bündel von im wesentlichen zu einer Richtung ui parallelen Lichtstrahlen. Außerdem ist ein Symbol in der Nähe jedes Punkts Ei eingetragen, um ihn identifizieren zu können. Das Bild 8, das entweder lichtdurchlässig oder reflektierend ist, wird daher durch eine beliebige geeignete und nicht dargestellte Lichtquelle beleuchtet. In äquivalen ter Weise zur erwähnten Zusammenfassung können die Elementarsonden Cj auch auf Sondenleisten 11, z.B. vom Typ CCD, zusammengefaßt und einer Sammellinse 12 zugeordnet sein.
• Wenn eine Sonde 11 ein Bündel von im wesentlichen zu einer Richtung ui parallelen Lichtstrahlen erfaßt, ergibt sich auf dieser Sonde das Bild des Punkts Ei und seines zugeordneten Symbols. Im Punkt Cj der Sonde 11, auf den der Punkt Ei fokussiert ist, entspricht einer Richtung Vj, die im System R&sub0; definiert ist und mit der Richtung ui koinzidiert. Es ist dann möglich, ui im System R&sub0; auszudrücken. Die Vorrichtung 7 analysiert andererseits den Inhalt des von der Sonde gelieferten Bilds und identifiziert das Symbol oder die Information, die in der Nähe des erfaßten Punkts sichtbar wird. Dieses Symbol erlaubt es, den Punkt Ei zu identifizieren und den Vektor ui im Koordinatensystem Rs auszudrücken. Aufgrund einer gewissen Anzahl von Messungen, die je zwei zusammengehörige Ausdrücke eines gleichen Vektors in R&sub0; und Rs ergeben, kann man leicht die Richtung von Rs bezüglich R&sub0; berechnen. Im einfachsten Fall, in dem drei Vektoren u&sub1;, u&sub2;, u&sub3; erfaßt werden, die linear unabhängig sind, besteht die Berechnung darin, ein System von neun linearen Gleichungen mit neun Unbekannten zu lösen.
• In einer anderen möglichen Ausführungsform kann die Einheit aus einem synthetischen Bild 8 und dem zugehörigen Kollimationsobjektiv 9 durch ein Hologramm ersetzt werden, das dadurch erhalten wird, daß das ins Unendliche projizierte synthetische Bild registriert wird. Beleuchtet man dann wieder auf geeignete Weise das Hologramm, das die obige Einheit ersetzt, ergibt sich wieder das gespeicherte Bild mit den kodierten Informationen. Der Vorteil des Hologramms liegt natürlich im Platzgewinn bezüglich der Einheit aus Raster und Kollimationsobjektiv.
• Die oben beschriebene Erfindung bietet bezüglich der bekannten Systeme den Vorteil einer hohen Genauigkeit aufgrund der Unabhängigkeit des Betriebs gegenüber aufeinanderfolgenden Positionen des Körpers 1. Außerdem ergibt der unmittelbare Zugang zur im ausgesendeten Strahlenbündel enthaltenen Information eine große Einfachheit für die Berechnung.

Claims (9)

1. Optisches Verfahren zur Bestimmung der Richtungsparameter eines mit einem ersten Körper (1) verknüpften Koordinatensystems Rs bezüglich eines mit einem zweiten Körper, Bezugskörper genannt, verknüpften Koordinatensystems R&sub0;, wobei das Verfahren eine Phase der Projektion eines Bündels von Lichtstrahlen ausgehend von dem ersten Körper und eine Phase des Empfangs eines Bündels von Lichtstrahlen durch eine Elementarsonde des zweiten Körpers enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Projektion darin besteht, mindestens ein Bündel von im wesentlichen zu einer im Koordinatensystem Rs bekannten Richtung u parallelen Lichtstrahlen zu projizieren, wobei das Bündel von Lichtstrahlen eine Information zur Identifizierung der Richtung bezüglich des Koordinatensystems R&sub9; enthält, daß die Phase des Empfangs darin besteht, mindestens teilweise ein Bündel von Lichtstrahlen in mindestens einer Elementarsonde des zweiten Körpers zu empfangen, wobei die Sonde die von im wesentlichen einer einzigen, im Koordinatensystem R&sub0; bekannten Richtung v kommenden Lichtstrahlenbündel erfassen kann, und daß das Verfahren weiter darin besteht, die in dem von der Elementarsonde empfangenen Bündel enthaltene Information zu lesen und durch Berechnung ausgehend von der Kenntnis der Elementarsonde, die das Bündel von Lichtstrahlen empfangen hat, und von der gelesenen Information die Richtungsparameter des Koordinatensystems Rs bezüglich des Systems R&sub0; unabhängig von der Lage des Koordinatensystems Rs im System R&sub0; zu berechnen.

2. Optisches Verfahren zur Bestimmung der Richtungsparameter eines Koordinatensystems Rs, das mit einem ersten Körper (1) verknüpft ist, bezüglich eines Koordinatensystems R&sub0;, das mit einem zweiten Körper, Bezugskörper genannt, verknüpft ist, wobei die Vorrichtung eine Vorrichtung (5) zur Erzeugung eines Bündels von Lichtstrahlen, die auf der Peripherie des ersten Körpers (1) sitzt, sowie eine Elementarsonde (4) aufweist, die bezüglich des Systems R&sub0; fixiert ist und einen Lichtstrahl auffangen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (5) ein Bündel von im wesentlichen zu einer im Koordinatensystem Rs definierten Richtung ui parallelen Lichtstrahlen erzeugt, wobei das Bündel von Lichtstrahlen eine die Richtung ui bezüglich des Koordinatensystems Rs identifizierende Information enthält, daß die Elementarsonde (4) mindestens einen Teil eines Lichtbündels auffangen kann, das im wesentlichen aus einer im Koordinatensystem R&sub0; definierten Richtung Vj kommt, und daß die Vorrichtung weiter Mittel (6) zum Lesen der in dem Strahlenbündel enthaltenen Information sowie eine Vorrichtung (7) zur Berechnung von Richtungsparametern des Koordinatensystems Rs bezüglich des Koordinatensystems R&sub0; unabhängig von der Lage des Koordinatensystems Rs im System R&sub0; enthält.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (5) zur Erzeugung eines Lichtbündels ein optisches System ist, das ein Bild im Unendlichen erzeugt.

4. Optische Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen (5) zur Erzeugung eines Strahlenbündels in einer Mehrzahl von Richtungen (10) zusammengefaßt sind, die aus einem in der Brennebene eines Kollimationsobjektivs (9) liegenden synthetischen Bild (8) bestehen.

5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das synthetische Bild (8) aus einer Vielzahl von Punkten Ei besteht, die einer festen Richtung im System Rs entsprechen, während die Information in der Nähe jedes Punkts Ei eingetragen ist, so daß er identifiziert werden kann.

6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das synthetische Bild (8) transparent ist.

7. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das synthetische Bild (8) reflektierend ist.

8. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Erzeugung von Strahlen aus einem Hologramm bestehen, das durch Registrierung eines ins Unendliche projizierten synthetischen Bilds (8) gebildet wird.

9. Optische Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elementarsonden (4) in einer Mehrzahl von Sondenleisten (11) zusammengefaßt sind, wobei jeder Sondenleiste (11) eine Sammellinse (12) zugeordnet ist.