DE2651839C2

DE2651839C2 - Einrichtung zur Zielverfolgung und/oder Fernsteuerung eines Fahrzeugs oder Geschosses

Info

Publication number: DE2651839C2
Application number: DE2651839A
Authority: DE
Inventors: Roger London Voles
Original assignee: EMI Ltd HAYES MIDDLESEX GB
Current assignee: EMI Ltd HAYES MIDDLESEX GB
Priority date: 1975-11-21
Filing date: 1976-11-13
Publication date: 1985-09-05
Also published as: US4162775A; GB1568058A; DE2651839A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zielverfolgung und/oder Fernsteuerung eines Fahrzeugs oder Geschosses gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich. Einrichtungen, die als automatische Zielfesthalte- und Verfolgungssysteme (kurz A.LF.-Systeme) bekannt sind.

die beispielsweise dazu verwendet werden, ein Geschoß in ein Ziel zu lenken.

Bei einem bekannten A.LF.-System, wie es beispielsweise in der US-PS 38 28 122 beschrieben ist. ist das Geschoß mit einer SeBioreinii.htung versehen, z. B. mit einer Fernsehkamera, die mit einer vorbestimmten Bildgeschwindigkeit Bilder des Gebietes liefert, auf das sich das Geschoß zubewegt Die Erfassung eines Zieles erfolgt durch Übertragung der Ekler zu einer entfernt liegenden Lenkungsstelle, an der ein Bild des Bereiches rekonstruiert und von einer Bedienungsperson beobachtet wird, die die Position eines Zieles (wenn vorhanden) in dem Bereich bestimmt und das Bild so verschiebt, daß das Ziel in bezug zu einer festen Fadenkreuzmarke zentralisiert ist. Die Zentralisierung des Zieles wird bewirkt, um ein Kurskorrektursignal zu erzeugen, das dem Geschoß zugeführt wird, um den Kurs des Geschosses zwecks Zentralisierung des Geschosses im Blickfeld der Sensoreinrichtung zu ändern. Wenn dies einmal erfolgt ist, ist die Zweikanalübertragungsverbindung zwischen dem Geschoß und der Lenkungsstelle nicht länger erforderlich und kann, falls gewünscht, unterbrochen werden.

Das Geschoß ist mit einer Einrichtung versehen, die dieses Geschoß befähigt, wenn ein Ziel einmal im Blickfeld seiner Sensoranordnung zentriert worden ist, das Ziel zu verfolgen und auf das Ziel automatisch

zuzusteuern. Dies entspricht der wahren A.L.F.-Betriebsweise und bezieht die Korrelation eines Referenz-»Bil des« ein, das eine Darstellung des Zieles und seiner unmittelbaren Umgebung enthält, das aus dem Zentralbe· reich eines Bildes abgeleitet ist, welches von der Sensoranordnung gewonnen wird, nachdem die oben erwähnte Zielerfassung erfolgt ist, bevor jedes Bild bzw. jede Darstellung von der Sensoranordnung gewonnen wird. In jedem Korrelationsprozeß wird das Referenzbild mit der relevanten Darstellung bzw. dem relevanten Bild in jeder Anordnung oder Lage mehrerer dazu relativer Anordnungen verglichen; ein »Trefferergebnis«, das den Grad der Übereinstimmung zwischen den Inhalten des Referenzbildes und der Darstellung anzeigt, wird für jede Lage oder Anordnung ermittelt, und die Koordinaten, relativ zu denen des Zentrums der Darstellung bzw. des Bildes, des Zentrums des Referenzbildes in der Anordnung oder Lage, die das beste Trefferergebnis ergibt, werden ausgewertet und dazu verwendet, das Geschoß auf einem Kurs zu halten oder den Sensor zu steuern, der in einer kardanischen Anordnung aufgehängt ist, so daß das Ziel im Zentrum des Blickfeldes der Sensoranordnung bleibt. Selbstverständlich ändert sich der Maßstab der Darstellungen bzw. Bilder, wenn sich das Geschoß de.m Ziel nähert, relativ zum Referenzbild, und dieser Umstand wird den Pegel des Korrclalionsprozesscs erniedrigen. Diesem wird durch Überwachung des besten für jede Korrelation erhaltenen Trefferergebnisses Rechnung getragen und ferner dadurch, daß das Referenzbild auf den neuesten Stand gebracht (berichtigt) wird, wenn das erhaltene beste Trefferergebnis unter einen vorbestimmten Referenzpegel fällt. Dieser Vorgang des Auf-den-neuesten-Stand-Bringens erfolgt jedoch sozusagen blind, weil der Korrelationsfehler nicht aufgrund

so relativer Änderungen des Maßstabes zwischen der Darstellung und dem Referenzbild hervorgerufen wird, jedoch beispielsweise dadurch verursacht sein kann, daß das Geschoß im Flug rollt, wodurch bewirkt wird, daß die Darstellungen oder Bilder in Rotationsrichtung mit dem Referenzbild fehl ausgerichtet sind. In diesem Falle bewirkt die Berichtigung lediglich eine zeit- und teilweise Abhilfe für den Korrelationsfehler bzw. die Korrelationsunschärfe, und es kann die Notwendigkeit bestehen, diese Berichtigung häufiger vorzunehmen, um einen

vernünftigen Übereinstimmungsgrad (Korrelationsgrad) zu erhalten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zielverfolgungs- und Fernsteuerungseinrichtung für ein Fahrzeug oder Geschoß zu schaffen, das sowohl dem Rollen oder Drehen und den relativen Maßstabsänderungen zwischen den von der Sensoranordnung abgeleiteten oder gewonnenen Darstellungen oder Bildern

und dem Referenzbild Rechnung trägt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung, in der beispielhaft Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert werden. Es zeigt ί

F i g. 1 ein Beispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung in Form eines Blockdiagramms und

F i g. 2 schematisch die Gewinnung bzw. Ableitung von Signalen, die die relative Drehbewegung und Maßstabsänderungen zwischen verschiedenen Darstellungen oder Bildern eines Bereiches anzeigen.

Es soll nun Bezug genommen werden auf die Zeichnungen: von einer Sensoranordnung, die eine Fernsehkamera und zugeordnete Schaltkreise umfaßt, gezeigt als Block 1, abgeleitete bzw. gewonnene Videosignale in werden digitalisiert und einem geeigneten Speicher 2 unter dem Einfluß bzw. der Steuerung einer Zcilstufc 3 zuge/ührt, die außerdem für das Triggern der Zeilenablenk- und Feldablenk-Wellenformen für die im Block 1 enthaltenen Kamera zuständig ist Die im Speicher 2 gespeicherten Signale werden einem Gatter 4 in der gleichen Ordnung, wie sie aufgenommen wurden, zugeführt, jedoch möglicherweise mit einer anderen Frequenz. und werden entweder einem Referenzbiid-Selektorschaltkreis 5 oder einem Korrelator 6 zugeleitet. In der r. nachfolgenden Beschreibung sei angenommen, daß die hier beschriebene Zielerfassung bereits erfolgt ist. und daß das Geschoß, das in diesem Fall eine Rakete mit einem Sprengkopf ist, beginnt, in der richtigen A LF.-Weise zu arbeiten. Es ist eine Übertragungseinrichtung 7 gezeigt, mit der von der Kameraanordnung 1 erzeugte Videoinformation zu einer Steuer- oder Lenkstelle übertragen werden kann, während die Rakete in ihrer Zielerfassungsbetriebsweise arbeitet und, falls gewünscht, kann diese Übertragungseinrichtung für den gesamten Raketenfiug betriebsbereit bleiben. Diese Einrichtung kann alternativ jedoch auch außer ScHeb gcsci/i werden, wenn die Zielerfassung einmal erfolgt ist

Das erste Bildinformations-Vollbild, das nach erfolgter Erfassung vom Speicher 2 abgeleitet ist. wird vom Gatter 4 zum Referenzbild-Selektorschaltkreis 5 weitergeleitet der in bekannter Art und Weise dazu bestimmt ist aus der zugeführten Information lediglich die auszuwählen die einem schmalen zentral angeordneten Bereich in dem Videobild zugeordnet ist Sobald die Zielerfassung erfolgt ist sollte dieser schmale Bereich das Ziel umfassen, und das Referenzbild kann dann mit für die Korrelation in der Einheit 6 mit nachfolgend abgeleiteten bzw. gewonnenen Vollbildern von Videoinformationen verwendet werden.

Wenn das Referenzbild einmal selektiert worden ist wird das Gatter so geschaltet, daß es nachfolgend gewonnene Vollbilder der Videoinformationen dem Korrelator 6 zuführt Der Referenzbild-Selektor 5 spaltet jo die Information im Referenzbild in η Teile von im wesentlichen gleicher Räche. In diesem Beispiel, wie man der F i g. 2 entnehmen kann, nimmt die Zahl π den Wert vier ein. und die vier Teile sind relativ zum Bezugsbild symmetrisch angeordnet; die Teile sind dabei mit ihren Zentren um /2* χ d vom Zentrum des Rcfcrcnzbildcs entfernt angeordnet Wie man der F i g. 2 entnehmen kann, sind die Zentren /Ί. Pj, Pj und Pa der vier Teile des Referenzvollbildes, wenn angenommen wird, daß der Ursprung 0 eines kartesisch»;ii Koordinatensystemen X ■ in/4 Vrr»i* rlerr» 7öntriiiTi /\ac D<af*»i*<»r»"Tl^iIHr»c rikorainclimmt onfanac ca nnitOAr^nai slofl η tr* n I in>AniJArkin<JiinA

ua tu μ ίίΐίι. w^.iii £>ν·ΐν· Uli· uwu itvivi vi!£lf!iubi üi/vi νϊίι5ϊιί!ϊιϊ·ϊ| Mtiiui*££u Sv uü^vvriuiivti \iuw viiiv L*ii!ivii ivi VilKlUMK Pt bis P3 die Linienverbindung Pi bis Pt senkrecht halbiert; die Linien treffen dabei im Ursprung 0 zusammen. In der F i g. 2 sind die vier Teile so dargestellt, daß sie voneinander im Abstand angeordnet sind, jedoch braucht iics nicht notwendigerweise der Fall zu sein, und das Abrücken der Teile voneinander in de dargestellten Art und Weise oder auf andere Art und Weise hängt zu einem beträchtlichen Teil von der Natur des zu verfolgenden *o Zieles ab.

Der Korrelator 6 korreliert jedes TeiJ des Referenzbifdes einzeln mit der Videoinformation, die von der Kameraanordnung 1 nach der Information, von der das Referenzbüd gewonnen wurde, abgeleitet oder gewonnen wird. Die Koordinaten der Zentralpunkte P\ bis P4 der vier Teile werden in ihren entsprechenden Stellungen oder Lagen der besten Übereinstimmung mit der Videoinformation einem Roll- bzw. Dreh- und/oder zoom-(Brennweiten-JKompensationsschai'ikreis 8 zugeführt, welcher durch Einführen der zuvor erwähnten Koordinaten in mathematische Formeln, die weiter unten offenbart werden sollen, das Rollen bzw. Drehen und/oder die Brennweite errechnet welches oder welche im Intervall zwischen der Gewinnung des Referenzbildes und der Gewinnung der Videoinformation, mit der das Referenzbüd korreliert wird, aufgetreten ist. Der Schaltkreis 8 erzeugt Roll- bzw. Dreii- und/oder Brennweiten-Fehlersignale, die zum Referenzbild-Selektor 5 zurückgeführt werden und dazu verwendet werden, das Referenzbüd durch Drehen und/oder Dehnen so zu modifizieren, daß solche Fehlersignale verkleinert werden. Durch diese Mittel wird das Referenzbüd modifiziert um Änderungen der Kameraanordnung 1 relativ zum Ziel hinsichtlich des Rollers bzw. Drehens und/oder der relativen Entfernung zu gestatten.

Es versteht sich, daß jede derartige Modifikation des Referenzbildes in ei;v2m Sinne durchgeführt wird, die geeignet ist, daß die Korrelation mit der Videoinformation, mit der es gerade korreliert worden ist, besser wird, so daß im allgemeinen die Korrelation des modifizierten Referenzbildes mit dem nächsten einlaufenden Vollbild der Bildinformation nicht ideal sein wird und eine weitere Modifikation des Referenzbildes erforderlich wird, jedoch zeigt das Referenzbüd stets die Neigung, der bestehenden bzw. vorherrschenden Drehung und/oder Brennweite zu folgen, so daß die Korrelation die Tendenz zeigt, auf einem vernünftigen guten Niveau zu bleiben, μ Wenn zusätzliche Kompliziertheit in dem System toleriert werden kann, unter Beachtung, daß die ganze Rt-kctc und ihr Inhalt, der sämtliche Schaltungsteile aufweist, die in bezug auf F i g. I beschrieben worden sind, notwendigerweise Verbrauchsmaterial darstellt, wäre es möglich, einen Extrapolationsschaltkreis in den Leitungsweg der Zählersignale vom Schaltkreis 8 zum Selektor 5 zu legen, so daß der wahrscheinliche Pegel der Fchlcrsignalc für das nächste einlaufende Vollbild der Videoinformation auf der Basis einer linaren Extrapolation der aus dem *>s laufenden Bild der Videoinformation erhaltenen Fehlersignale vorausberechnet werden könnte, um so das Referenzbüd um ein Ausmaß zu modifizieren, das die Wahrscheinlichkeit einer besseren Korrelation mit dem nächsten einlaufenden Vollbild erhöhen würde.

Trotz der durch die Erfindung bewirkten Verbesserung hinsichtlich der Korrelation ist es jedoch, auch wenn eine Extrapolation, wie oben erwähnt, verwendet wird oder nicht, immer noch notwendig, einen Schaltkreis 9 vorzusehen, der den Korrelationspegel in dem besten Übereinstimmungszustand überwacht für jeden Teil des Referenzbildes und der das Gatter 4 steuert, um die Auswahl eines neuen Referenzbildes durch den Selektor 5 /u bewirken, wenn die Korrelation unter einen vorbestimmten Schwellwert-Pegel fällt. Zweckmäßig berechnet der Schaltkreis 9 den mittleren Korrelationspegel für alle vier Abschnitte bzw. Teile und vergleicht diese mit dem Schwellwert.

Außerdem wird die Koordinateninformation, die dem Kompensationsschaltkreis 8 für die Kompensation des

Rollens oder Drehens und/oder der Brennweite zugeführt wird, einem Steuersignalgenerator 10 zugeführt, der

ίο die X- und Y-Richtungs-Steuersignale errechnet aus zwei mathematischen Gleichungen, auf die nachfolgend Bezug genommen werden soll, zur Steuerung der Steuer- bzw. Leitflächen bzw. des Leitwerkes Il auf der Rakete, um den Flug der Rakete in das Ziel zu steuern, oder zur Steuerung der Kardanaufhängung des Sensors.

Wie man der F i g. 2 entnehmen kann, lauten die Gleichungen, die im Generator 10 verwendet werden, um die Steuersignale όΧ und JVFürdie normale X- und V-Richtungs-Zielverfolgung zu erzeugen:

- Ox₁ + Ox₂ + 0X3

wobei axt die Bewegung von Pi in der -Y-Richtung nach der Korrelation ist. verglichen mit der Anfangsposition, wie in der F i g. 2 gezeigt, und όχι, όχι und Ox₄ haben ähnliche Bedeutungen in bezug zu Pi, Pj bzw. P₄, und

4 OY= Oy₁ + Oy₂ + Oy₁ + Oy₄

wobei oy\,oy₂ usw. ähnliche Bedeutungen haben wie όχ\,όχ₂ usw, jedoch zu den Bewegungen in der K-Richtung in Beziehung stehen.

Die Gleichungen, die verwendet werden, um das Rollen bzw. Drehen (όθ) und die Brennweite (OZ) im Schaltkreis 8 zu berechnen (»Brennweite« ist definiert als die Bildausdehnung in Bruchteilen) sind folgende:

8 d όθ = όχ\ — Ox₂—όχ3 + Ox₄ —Oyι — Oy₂ + dyz + Oy₄ und
8doZ=ox\+ Ox₂—όχι—Ox₄ + δχ\ — Oy₂—oyi + Oy₄

Beide Gleichungen können leicht dadurch bestimmt werden, daß getrennt eine Rotation der Punkte P_t bis P₄ in einer gemeinsamen Richtung um den Ursprung 0 und die Bewegung der Punkte P₁ bis P₄ entlang den Diagonalen der F i g. 2 in eine Auswärtsrichtung vom Ursprung 0 aus betrachtet werden.

Bei einem schrägen Blick auf einen Bereich, derart, als wenn sich der Sensor unter einem Winke! in seiner kardanischen Aufhängung zur Bewegungsbahn des Geschosses befindet, erscheint ein rechteckiger Bereich trapezförmig. Daher kann die Brennweite oder die Ausdehnung, wie oben definiert, quer über das Bild variieren und man kann Gleichungen zur Ermittlung der Brennweite oder der Ausdehnung für verschiedene X- und Y- Werte aus den oben ermittelten Bewegungen όχι,... usw. und oy_t... usw. erhalten.

Diese Gleichungen sind:

4όόΖχ=όχ\+όχ2—όχι—Ox₄ und
4dfZy—Oy \ — Oy₂—oyi + Oy₄

!n einigen Fällen bzw. unter einigen Bedingungen kann es vorteilhaft sein, um die Wirkungen von Rauschsignalen im Referenzbild auf den Korrelationsprozeß zu reduzieren, solches Rauschen durch Integrieren von Referenzbildern zu unterdrücken, die aus mehreren verschiedenen Videoinformationsbildern abgeleitet sind. Wenn dies erfolgt ist, ist es wünschenswert, die Kompensation für das Rollen und/oder die Ausdehnung zu 5c bewirken, bevor die Referenzbilder integriert sind, so daß die Roll- und Brennweiten- bzw. Ausdehnungswirku.. gen das Referenzbild nicht beeinträchtigen, wenn die Integration über eine geeignet lange Zeitperiode durchgeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Zielverfolgung und/oder Fernsteuerung eines Fahrzeugs oder Geschosses, das mit einer Abtasteinrichtung zum Erzeugen von Darstellungen oder Bildern eines Gebietes mit bestimmter Bildgcschwindigkeit versehen ist, auf das sich das Fahrzeug oder das Geschoß zubewegt, mit einer Einrichtung /ur Gewinnung eines Bezugsbildes aus einem vorgewählten Bildbereich und mit einer Einrichtung /um Vergleich des Bezugsbildes mit einer weiteren Darstellung, die nachfolgend von der Abtasteinrichtung cr/cugt wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (5) zur Teilung des Bildes in Bildicilc. durc>. eine Vergleichseinrichtung zum Vergleich sämtlicher dieser Bildteile in jeder einer Vielzahl von verschiedenen relativen Anordnungen mit der weiteren Darstellung, um die Positionskoordinaten jedes der Bildicilc relativ zu einer Bezugsposition zu bestimmen, an der die jeweiligen Bildteile am besten mit der weiteren Darstellung übereinstimmen, und durch eine Einrichtung (8), die mittels der ermittelten Positionskoordinaten Drehlagenfehler und/oder Maßstabsänderungen zwischen den Inhalten des Referenzbildes und der weiteren Darstellung kompensiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die mehrere hinsichtlich Drehlagenfehler und/oder Maßstabsänderung korrigierte Bezugsbilder integriert und so ein weiteres Bezugsbild erzeugt, um so die Wirkung von Rauschsignalen in einem Bezugsbild zu verringern.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Steuersignalgenerator (10) und durch eine Einrichtung (9) zur Überwachung der besten Obereinstimmung, die jeweils in Abhängigkeit von abge schätzte« .Positionskoordinaten ein Steuersignal zur Beeinflussung des Kurses des Fahrzeugs oder Geschos ses und zur Aufdatierung der Darstellung erzeugt, von der das Bezugsbild abgeleitet ist.

4. Rakete, gekennzeichnet durch eine Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3.