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Anordnung zur raumfesten Stabilisierung von Geräten auf Fahrzeugen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur raumfesten Stabilisierung der Winkellage
eines um eine oder mehrere Achsen schwenkbaren Gerätes auf einem Fahrzeug, bei der
je Achse ein Stellmotor mit einer Regeleinrichtung zur Durchführung von Rück s_tellbewegungen
vorgesehen ist.
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In Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen, die bei ihrer Fortbewegung oft
regellose Drehbewegungen um beliebige Schwerpunktachsen ausführen, ist es für bestimmte
Anwendungszwecke notwendig, solche Geräte wie Fernrohre, Sextanten, Richtantennen,
Radargeräte, Scheinwerfer oder Waffen den. Drehbewegungen des Fahrzeugs so vollständig
wie möglich zu entziehen. Man spricht von einer »raumfesten Stabilisierung« des
betreffenden Gerätes, wenn es gelingt, durch irgendwelche Mittel zu erreichen, daß
das Gerät im wesentlichen seine ursprüngliche Ausrichtung im Trägheitsraum (Innertialsystem)
beibehält, während das Fährzeug beliebige Drehungen um den Fahrzeugschwerpunkt ausführt.
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Es sind Stabilisierungseinrichtungen bekannt, bei denen mit Hilfe
von Kreiselgeräten die Winkelabweichungen des zu stabilisierenden Gerätes von seiner
ursprünglichen Richtung, bezogen auf den Trägheitsraum, gemessen werden und aus
den gemessenen Abweichungen Signale abgeleitet werden, die zur Betätigung von Stelhnotoren
dienen. Die Stellmotoren, die sich auf das Fahrzeug abstützen, stehen über ihre
Getriebe zwangläufig mit dem Gerät in Verbindung. Mit Hilfe von Steuereinrichtungen,
Kraftverstärkern und ähnlichen in der Reglungstechnik bekannten Mitteln wird erreicht,
daß die Stellmotoren eine Drehgeschwindigkeit des zu stabilisierenden Gerätes relativ
zum Fahrzeug erzeugen, die stetig von der gemessenen Winkelabweichung abhängig ist.
Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen Kreiselgeräte (sogenannte Wendekreisel)
verwendet werden, die an Stelle der Winkelabweichung die Winkelgeschwindigkeit des
Gerätes relativ zum Trägheitsraum unmittelbar messen, wobei die Stellmotoren über
Verstärker so gesteuert werden, daß eine Relativ-Drehgeschwindigkeit des zu stabilisierenden
Gerätes zum Fahrzeug in entgegengesetztem Drehsinn erzeugt wird, wodurch die Drehgeschwindigkeit
des Körpers relativ zum Trägheitsraum im wesentlichen, abgesehen von schnell abklingenden
Schwankungen, zu Null gemacht wird.
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Alle diese bekannten Einrichtungen, bei denen ein geschlossener Regelkreis
mit der Winkelabweichung bzw. der Winkelgeschwindigkeit relativ zum Trägheitsraum
als Regelgröße vorhanden ist, haben den entscheidenden Nachteil, daß die durch einen
Stellmotor erzeugte Drehgeschwindigkeit des zu stabilisierenden Gerätes relativ
zum Fahrzeug mit einer gewissen Zeitverzögerung gegenüber der Regelabweichung auftritt.
Dieses hat zur Folge, daß während der Verzögerungszeit das Gerät über die zwangläufige
Verbindung, die zwischen ihm und dem Fahrzeug besteht, vorübergehend vom Fahrzeug
bei dessen Drehbewegung mitgenommen wird, so daß regellose Abweichungen von der
Sollrichtung im Raum mit größerer oder kleinerer Amplitude entstehen, die das Arbeiten
mit dem betreffenden Gerät erheblich erschweren können.
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Dieser Nachteil wird dadurch beseitigt, daß erfindungsgemäß das Gerät
je Achse mit einer Einrichtung zur Erfassung des Drehmoments ausgerüstet ist und
daß der jeweilige Stellmotor mittels dieser Einrichtung und der Regeleinrichtung
zur Erzeugung eines dem störenden Drehmoment entgegengesetzt gerichteten Kompensationsdrehmoments
steuerbar ist. Dabei wird durch die Einrichtung zur Erfassung des Drehmoments die
Differenz zwischen dem störenden Drehmoment und dem Kompensatio:ns" drehmoment gemessen
und ein entsprechendes Signal der Regeleinrichtung zugeführt.
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Mit einer derartigen Anordnung läßt sich das vom Fahrzeug über die
Getriebeverbindung und die unvermeidlichen Lagerreibungen auf das Gerät ausgeübte
Drehmoment fast vollständig kompensieren, so daß insgesamt vom Fahrzeug aus keinerlei
Drehbeschleunigung des zu stabilisierenden Körpers stattfindet. Voraussetzung dafür
ist, daß das Drehmoment des Stellmotors ausschließlich vom Signal der Regelabweichung,
jedoch nicht von der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Körper und dem Fahrzeug
und insbesondere nicht von der Relativgeschwindigkeit
der umlaufenden
oder hin und her verschieblichen Teile des Stellmotors zum Gehäuse abhängig ist.
Zu diesem Zweck ist zwischen dem Stellmotor und dem ihn steuernden Kraftverstärker
eine Rückführung derart vorgesehen, daß am .Stellmotor, unabhängig von seiner Drehzahl,
ein Drehmoment auftritt,' das dem wirksamen Steuersignal @proportional -ist. -Die
Erfindung wird an Hand der Zeichnungen in einigen Ausführungsbeispielen näher- erläutert.
-° .-F i g. 1 zeigt eine schematische Darstellung' der beschriebenen Anordnung zur
Stabilisierung der Drehbewegungen um die vertikale Achse; F i g. 2 zeigt eine schematische
Darstellung der beschriebenen Anordnung zur Stabilisierung der Drehbewegung um die
horizontale Achse; F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung gemäß einer Weiterbildung
und Abwandlung der Anordnung nach F i g. 2.
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Auf einem durch den Umriß 1 angedeuteten Fahrzeug ist ein Radar-Antennen-Spiegel
2 angeordnet, der um eine horizontale Achse 3 auf einem Lagerbock 4 schwenkbar gelagert
ist. Der Lagerbock 4 seinerseits ist um eine vertikale Achse 5 drehbar. An einem
Zahnrad 6 am Fuß des Lagerbocks 4 greift ein Stellmotor 7a an, der über einen Kraftverstärker
8 wahlweise von einem Kommandogeber 9 oder einer Regeleinrichtung her steuerbar
ist.
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In dem gezeichneten Ausführungsbeispiel wird das störende Drehmoment
durch Messung der Drehbeschleunigung erfaßt. Zur Regeleinrichtung gehören daher
zwei Beschleunigungsmesser 10, die an gegenüberliegenden Stellen des Lagerbocks
4 angeordnet sind. Von den Beschleunigungsmessern führen Leitungen 11 zu einem Netzwerk
12, das ein der Differenz der Meßergebnisse Ui, U, der Beschleunigungsmesser proportionales
Signal U3 = Ui - U, an eine Vergleichsschaltung 13 liefert, in der
die Größe dieser Signale mit einem dem momentanen Drehmoment des Stellmotors 7a
proportionalen Meßwert U4 verglichen wird. Solange das Signal U3 und der Meßwert
U4, abgesehen vom Vorzeichen, voneinander abweichen, wird dem Kraftverstärker 8
ein Steuersignal US zugeleitet, wenn über den Schalter 14 die Verbindung zwischen
Kraftverstärker 8 und der Vergleichsschaltung 13 hergestellt ist. Der Kraftverstärker
8 verändert das Drehmoment des Stellmotors 7a so länge, bis die Vergleichsschaltung
1.3 die gleiche absolute Größe der zu vergleichenden Signale U3 und U4 feststellt.
Ein wesentliches Merkmal der gezeichneten Anordnung ist, daß das Rückführsignal
U4 dem Drehmoment des Stellmotors .7a ohne Rücksicht auf seine momentane Drehzahl
proportional gemacht wird.
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Ist der Stellmotor 7a z. B. als Gleichstromnebenschlußmotor mit konstanter
Erregung ausgeführt, so ist das Drehmoment dem Ankerstrom in einem weiten Bereich
proportional, dessen Größe sich leicht messen und als Vergleichsmeßwert der Vergleichsschaltung
13 zuführen läßt. Ist der Stellmotor 7 a als Wechselstrommotor, und zwar speziell
als Zweiphasen-Induktionsmotor mit einer Erregerwicklung und einer Steuerwicklung
ausgebildet, so ist das Drehmoment dem Produkt aus den Strömen 1, und I., in der
Erreger- bzw. Steuerwicklung proportional. In diesem Fall wird eine Vergleichsspannung
U4 erzeugt, die dem Produkt 1, - I2 proportional ist und die als Vergleiehsmeßwert
der Vergleisschaltung 13 zugeführt wird. Die Produktbildung kann in an sich bekannter
Weise mit Hilfe einer analogen Rechenschaltung oder mit Hilfe eines Hall-Generators
erfolgen.
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Bei einem Hydraulikmotor ist die Druckdifferenz zwischen Zufluß und
Abfluß dem Drehmoment proportional. Auch diese Druckdifferenz läßt sich leicht in
eine ihr proportionale Spannung U4 umwandeln, die als Vergleichsmeßwert benutzt
wird.
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Durch die geschilderte Anordnung wird erreicht, daß das vom Fahrzeug
über die Lager- und Getriebereibung auf das zu stabilisierende Gerät übertragene
Drehmoment so kompensiert wird, daß die resultierende Drehbeschleunigung des Gerätes
nahezu Null wird.
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In F i g. 2 ist eine Anordnung zur Stabilisierung um eine horizontale
Achse dargestellt. Der Radar-Antennen-Spiegel 2 ist, um die Achse 3 auf dem Lagerbock
4 schwenkbar gelagert. Der Lagerbock 4 seinerseits steht auf zwei Kraftmeßdosen
15, deren Verbindungslinie quer zur Achse 3 liegt. Der Rahmen des Antennenspiegels
2 ist über die Achse 3 hinaus verlängert und endet in einem halbkreisförmigen Zahnkranz
16. In diesen Zahnkranz greift ein Ritzel 17 ein, das: von dem Stellmotor
7b angetrieben wird,. sobald dieser einen Steuerbefehl erhält. Die elektrische
Schaltung ist wie im vorhergehenden Beispiel ausgeführt.
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In dem Netzwerk 12 wird aus den Meßwerten U, und U7 der Kraftmeßdosen
das vom Fahrzeug auf den Antennenspiegel 2 wirkende Drehmoment ermittelt und mit
dem Drehmoment des Stellmotors 7 b in der Vergleichsschaltung 13 verglichen, wobei
das Dbersetzungsverhältnis des Motordrehmoments auf die Achse 3 durch geeignete
Wahl der Geräte-Konstanten berücksichtigt wird. Durch die Steuerung des Stellmotors
7 b über den Verstärker 8 wird das vom Fahrzeug 1 auf den Antennenspiegel 2 übertragene-Drehmoment
fast vollständig kompensiert.
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Soll der Antennenspiegel 2 willkürlich in eine andere Lage im Raum
gesteuert werden, dann wird der Schalter 14 umgeschaltet, so daß der Stellmotor
7 b nunmehr mit dem Kommandogeber 9 verbunden ist.
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In F i g. 3 ist eine Abwandlung der in F i g. 2 beschriebenen Anordnung
dargestellt. Hier ist an zwei Punkten des Antennenspiegels 2, die weit von der Drehachse
entfernt sind, je ein Beschleunigungsmesser 19 angeordnet. Aus ihren Meßwerten wird
in dem Netzwerk 12 das vom Fahrzeug 1 über die Achse 3 auf den Antennenspiegel 2
übertragene Drehmoment ermittelt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf der Achse 3 eine träge Masse
20 gelagert, die auf der Achse 3 frei drehbar ist. An der Rückseite des Antennenspiegels
2 ist der Stellmotor 17 befestigt. Der Stellmotor 17 treibt über ein Getriebe die
träge Schwungmasse 20 an, wobei sein Gehäuse sich auf dem Antennenspiegel 2 abstützt.
Beim Einschalten des Stellmotors 17 wird die Schwungmasse 20 durch den Steilmotor
17 mit einem Drehmoment beschleunigt, das vom Verstärker 8 gesteuert wird und das
auf den Antennenspiegel 2 ein gleich großes Reaktionsmoment ausübt. Der Drehsinn
wird so gewählt, daß dieses Reaktionsmoment das vom Fahrzeug 1 über die Achslagerung
3 übertragene störende Drehmoment kompensiert.
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Diese Anordnung hat gegenüber den anderen Anordnungen den @ Vorteil,
daß jede zwangläufige
Getriebeverbindung zwischen dem Fahrzeug 1
und dem zu stabilisierenden Gerät vermieden wird, so daß störende Drehmomente nur
durch Reibung in der Achslagerung 3 übertragen werden.