DE2252593A1 - Gyroskop - Google Patents

Description

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ASSOCIATION DES OtTVRIERS EN INSTRUMENTS DE PRECISION

Paris / Frankreich

Gyroskop

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Richtungsgyroskop für Fahrzeuge mit einem um die Elevationsachse und eine vertikale Achse beweglichen pendelförmig gelagerten Gyroskop, bestehend aus einem Gehäuse, einem die Pendelbewegungen des Gehäuses feststellenden elektrischen Detektor, sowie zwei entsprechend der Elevation und dem Azimut die Position des Gyroskoprotors .in bezug auf das Gehäuse feststel-

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!enden Detektoren, welche mittels Servomotoren die Elevations- und Azimutposition des Gehäuses bezüglich dieser : Achsen steuern, sowie einer elektrischenEinrlchtung, welche auf den Rotor Drehmomente aufbringt, einschließlich eines ^ ' permanenten Drehmoments zur Korrektur des Breitengrades.

Man weiß, daß Gyroskope auf die Drehung der Erde ansprechen. Wenn ein derartiges Gyroskop auf einem Fahrzeug befestigt ist, dann entspricht eine Verschiebung auf der Brdoberfläche einer Zustandsänderung der Erddrehung. Die Gyroskopachse kann demzufolge nur eine unveränderliche Richtung im Raum aufrechterhalten und demzufolge nur als Richtungsgyroskop verwendet werden, wenn man durch entsprechende Maßnahmen alle äußeren Einflüsse auf die Lagerachsen beseitigt, welche eine Verschiebung der Gyroskopachse zur Folge haben. Aufgrund der unvermeidlichen Abweichungen des Gyroskops und des von dem Fahrzeug durchlaufenen Weges entlang der Erdoberfläche kann die Aufrechterhaltung einer Referehzrichtung bei einem Richtungsgyroskop einen systematischen Fehler gegenüber der aufrechtzuerhaltenden Richtung zur. Folge haben.

An einem festen Ort auf der Erdoberfläche kann man hingegen unter Ausnutzung der Erddrehung durch langsame gedämpfte Oszillationen die Richtung der Achse des Gyroskops auf die Meridianebene - d.h. auf die Nord-Süd-Richtung - hinführen. Bei einem senkrecht zur horizontalen Achse angeordneten Gyroskop, welches durch eine entsprechende Einrichtung um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist, kann bei entsprechender Kompensation der vertikalen Komponente der Erddrehung die horizontale Komponente dieser Drehung einem Drehmoment der Elevationsachse überlagert werden, wodurch das Gyroskop in Richtung der Meridianebene abgelenkt wird, wobei das Dreh-

—3-t

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moment sich aufhebt". Die Meridianebene kann dann unter der Bedingung erreicht werden, daß die senkrecht zur Elevationsachse auftretenden Oszillationen in geeigneter Weise gedämpft werden. .

Ein auf diese Weise in die geographische Nord-Süd-Richtung ausgerichtetes Gyroskop kann Jedoch nicht als Richtungsgyroskop verwendet werden, weil die Versetzung des Fahrzeugs eine anscheinende Veränderung der Charakteristik der Erddrehung zur Folge hat. Auf der anderen Seite kann ein Richtungsgyroskop nicht zur Feststellung einer genauen Richtung verwendet werden. Demzufolge werden für die beiden Funktionen des Richtungsgyroskopes und des gyroskopischen Kompasses gewöhnlich zwei verschiedene Gyroskopvorrichtungen verwendet.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es demzufolge Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Gyroskop zu schaffen, welches durch einfache Umschaltung beim Stillstand des Fahrzeuges als gyroskopischer Kompaß und während des Betriebes des Fahrzeuges als Richtungsgyroskop verwendet werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,, daß die elektrische Einrichtung des Gyroskops zwei Kontaktarme aufweist, welche wenigstens zwei Schaltpositionen besitzen, wobei in der einen Schalterposition der Pendeldetektor mit einer elektrischen Einrichtung verbunden ist, welche entsprechend der Elevationsverschiebung des Rotors ein Drehmoment ergibt, wodurch eine Kompensation der Elevationsveränderung der Achse des Rotors hervorgerufen ist,während in der zweiten Schalterposition der Pendeldetektor über einen den Einfluß der Kompensation verringernden Kreis mit der'elektrischen Einrichtung verbunden ist, während der andere Kontaktarm den Pendeldetektor über eine die- Rotorabweichung in Azimutrichtung korrigierende elektrische Einrichtung mit einem zweiten Netz _t verbindet. ' ·

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Ein derartiges Gyroskop kann insbesondere bei Fahrzeugen verwendet werden, welche von Zeit zu Zeit stillgesetzt werden. Im allgemeinen erweist es sich dabei als, zweckmäßig, einen Rechner für* die vorgesehene Route vorzusehen, mit welchem die Elevation des Weges eines derartiges Erdfahrzeuges festgelegt ist, wobei der Weg durch Wegkomponenten in der Nord-Süd- und Ost-West-Richtung festgelegt ist. Dies hat zur Folge, daß bei einem geographisch bekannten .Abfahrtsort der Ankunftsort automatisch festgelegt ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die elektrischen Einrichtungen für die Aohsen des Rotors Stellmotore sind, welche über Dämpfungskreise zur Festlegung eines vorgegebenen Drehmoments gespeist sind. Mit Hilfe vorgesehener Dämpfungskreise kann die Dämpfung ' der Oszillationsbewegung festgelegt werden, welchen die gyroskopische Einheit ausgesetzt ist.

Mit Hilfe von verschiedenen Dämpfungskreisen ist es möglich, vor der Abfahrt des Fahrzeuges nach einer näherungsweisen Orientierung der Gyroskopachse eine Grobeinstellung des Gyroskops nach Norden zu erreichen, worauf entsprechend der zur Verfügung stehenden Zeit die Einstellung der Gyroskopachse noch verfeinert werden kann,

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisohe Darstellung der auftretenden Win-¹ kel bei der Erde und einem der Drehung der Erde ausgesetzten Gyroskop,

•5-

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Fig. -2, eine ,Schema;tische perspektivische Ansicht eines . ■

Pig .· j5 eine.;, sehe-matische pe aspekt i vi sehe - Ansicht der -Gy- roskopeinheit ..gemäß,, der Erfindung,, .-.:· - . ·. -.;

Fig. 4 eine Sehnittansicht. durch das in den Fig. 2 und· 3 · dargestellte ,Gehäuse, - ... · . .. . . . - .

Fig. 5-.ein- -schematisches Blockdi-agramm'des erfindungsge-. mäßen; Gyroskops^ .-■.; ... . · - . . .:. . ·.- . ' ".. .

Fig. β .ein OszillationsdiagrammCfUr die-pämpfung,der EIe-¹ vati.pris- und'AZimutschWingung. eines "Gyroskops, uhd

Fig. 7 ein schematisches Diagramm der.Verschiebung des En- des der Achse eines gyroskopischen Kompasses, sobald die Bewegung gedämpft ist. ' ■· · ■:

In Fig. 1 sind'--dlei. verschiedenen·' Drehvektoren eingezeich net, welche -brei Drehung- der Erde auf· ein bei^; dein Punkt .Null frei aufgehängtes Gyroskop wirkeh. Der der' Drehung -der Erde ' entsprechende Vektor ω„ besteht·'entsprechend der· geographisehen Breite/I den folgenden beiden Vektoren:

V^:~ ^E ^sin

cos X '■-. ".'■·- ·'■■'"." .·■ (2)

wobei diese'beiden Vektoren-^^ undώ^ entlang der vertikalen Achse OV und der horizontalen Achse ON" viirken. Der Vektor OH ist dabei in der nordlichen Himmelsphäre gegen Norden gerichtet. Das Referenz'dreieck wird in der horizontalen Ebene durch die Vektoren OV/, OE und QS vervollständigt, welche die Rieh-

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tungen Westen, Osten und Süden ergeben. Die Drehachse des Gyroskops fällt mit der dem "Vektor OG zusammen. Das Gyroskop ist in bekannter Weise entsprechend Fig. 2 gyroskopisch aufgehängt, so daß die Gyroskopeinheit um die Achse OV drehen und um die horizontale Achse Ss' senkrecht zur Drehachse OG oszillieren kann. Demzufolge, können Änderungen des Elevationswinkels θ auftreten, welcher zwischen der Achse OG mit seiner Projektion og auf einer horizontalen Ebene auftritt. Die Projektion og bildet mit der Achse ON den Winkel φ, welcher die Abweichung der Gyroskopachse mit der Meridiariebene entspricht. Die Achse on, welche senkrecht durch die Drehachsen OG und der Elevationsachse ss¹ liegt, bildet mit diesen beiden Richtungen.ein zweites Referenzdreieck, welches sich auf das Gyroskop bezieht. Die Komponenten der Erddrehung &_v und ^ bezüglich dieses zweiten Dreiecks ergeben die folgenden Drehkomponenten:

o„ = &„, +°f,o ="t? cos λ cos <j> cos θ + w„ sinAsin θ (3) ü_s =(._E cos λ sin φ , (4)

^θ ~ ^we ^cos f ^cos Φ. ^sin· ^θ (5)

Wegen der Differenz zwischen den Winkelgeschwindigkeiten der Erddrehung und des Gyroskop's ist die Komponente <*) vernachlässigbar. Wie bei einem gyrpskopisehen Kompaß bleibt & relativ klein und ist im Fall eines Richtungsgy-roskops sehr nahe von Null. Demzufolge kann der Ausdruck co ebenfal3f^s vernachlässigt werden, während cos θ als = 1 angesehen werden "kann. Die Achse kann mit der vertikalen, OV zusammengelegt werden. Im Hinblick auf die Tatsache, daß der Winkel $ bei normalem Betrieb des Gyroskops sehr klein ist,kann sein Viert mit dem Sinuswert gleichgestellt werden, während der Cpsinuswert gleich 1 ist.. Demzufolge können die Drehkomponenten wie

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folgt vereinfacht wiedergegeben werden:

= pxy-pj, eos

Unter dem Einfluß der Drehung der Erde ergeben, diese Komponenten bezüglich der Drehachse des Gyroskops^: Neigungs- ■■ geschwindigkeit en um die Elevatiorisachse und die Verände- " rung des Azimuts. Wenn man systematisch die Verschiebung'in Azimut richtung annuliert., kann in" der geeigneten "Richtung auf die.Elevationsachse ss' ein konstantes Drehmoment aufgebracht werden, welches nur von der Breite und seinem Wert wie folgt abhängt:

C_h = H«_E-sin/l - ' ' ■ (8)

Dabei ist H das kinetische Moment des Gyroskops. Diese permanente Korrektur entspricht der Breitenkorrektur. Auf bekannte Welse kann die Elevationsverschiebung des Gyroskops, falls dasselbe senkrecht gelagert' ist, verwendet werden. Bei einer Abweichung seiner Achse mit der Me-ridian-aehse kann das Gyroskop in dieser Ebene verschoben werden, so daß dasselbe als gyroskopischer Kompaß verwendet werden kann. Aufgrund einer geeigneten Gegenkraft, welche die' Achse des Gyroskops horizontal hält, wobei eine Verschiebung in Elevationsrich- · tung verhindert ist, erhält man ebenfalls in an sich bekannter Weise eine Arbeitsweise als Richtungsgyroskop. So wie dies 'in dem folgenden noch beschrieben sein soll, ist diese Gegenkraft ein Drehmoment, welches entsprechend der Achse OV aufgebracht ist, wobei dasselbe einerseits proportional zum Winkel θ ist, den das Gyroskop gegenüber der¹ Horizontalen zu ■ vergrößern sucht, andererseits proportional zur horizontalen-

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Komponente der Erddrehung. Um einen gyroskopischen Kompaß zu erhalten, wird demzufolge die vertikale Komponente der Erddrehung annuliert, indem die horizontale Komponente über die Elevationsachse zur Wirkung gebracht wird, während zur Erzielung eines Richtungs-gyroskopes der Einfluß beider Komponenten - d.h. sowohl der vertikalen als auch der horizontalen Komponente der Erddrehung - kompensiert wird.

Im Hinblick auf die oben dargestellten theoretischen Ausführungen zeigt Fig. 2 schematisch ein Richtungsgyroskop. Der Rotor 1 des Gyroskops ist in einem starren" Gehäuse 2 angeordnet, welches nach unten hin mit einem Ge* häuse 3 versehen ist, in welchem ein geeignetes Gewicht vorhanden ist, mit welchem in Verbindung mit einem Detektor Abweichungen gegenüber der Vertikalen festgestellt werden können. Das Gehäuse 2 ist mit einer der Achse OG entsprechenden Achse 4 versehen, deren Enden in Lagern 5 eines Elevationsringes 6 gelagert sind. Die Lager £> können eine gewisse Reibung aufweisen, um die Oszillationen der Einheiten 2, J und 4 zu dämpfen. Der Elevationsring 6 kann wiederum um Zapfen 7 schwingen, welche die Elevationsachse ss' festlegen. Diese Stifte 7 sind in einem Azlmutring 8 gelagert, welche gemäß Fig. 2 in Form einer Gabel ausgebildet sein kann. Diese Gabel bzw. dieser Ring 8 1st, auf einer vertikalen Achse 9 befestigt, die innerhalb eines Lagers 10 eines Gehäuseteils 11 gelagert ist und die mit einer Windrose 12 versehen ist. Der Elevationsring 6 und der Azlrputring 8 werden von entsprechenden Elevations- und Azimutservomotoren 13, Ik angetrieben. Der auf dem Azimutring 8 befestigte Elevationsservomotor 13 wirkt über ein entsprechendes Untersetzungsgetriebe 15 auf einen Elevationseinstellzahnradsektor 16, während der Azimutservomotor 2Λ hingegen über ein entsprechendes Untersetzungsgetriebe I7 auf ein Azlmutein-

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stellzahnrad 18 wirkt, welches eine Drehung von 3βθ° des Azimutringes 8 ermöglicht. Das Azimuteinstellzahnrad l8 ist ferner mit einem Positionsgeber 19 verbunden, mit welchem Richtungsinformationen abgegeben werden können.' Auf der vertikalen Achse 9 ist ferner der Rotor eines Resol-" vers 20 befestigt, dessen Stator an dem Gehäuseteil 11 befestigt ist. Mit Hilfe des Resolvers 20 können Informationen abgegeben werden, welche eine Kompensationskorrektur bezüglich der Geschwindigkeit des mit dem Gyroskop versehenen Fahrzeuges abgeben können.

Der Inhalt des Gehäuses 2 ist schernatisch in Fig. 3 dargestellt, während Fig. 4 die einzelnen Elemente des Gehäuses 3 zeigt.

Gernäß Fig. 4 enthält das Gehäuse 3 eine Flüssigkeit 22. innerhalb dieses Gehäuses 3 ist ein E-förmiger Magnetkern befestigt, welcher mit drei getrennten Wicklungen 24, 25, versehen ist. Die mittlere Wicklung 25 wird mit Wechselstrom gespeist, welcher über Klemmen 31 von einer geeigneten Stromquelle zugeführt ist. Die Wicklungen 26 und 24 sind im wesentlichen gleich ausgelegt, jedoch in entgegengesetzter Drehrichtung aufgewickelt.'Der Magnetkreis des Magnetkernes 23 wird durch ein Joch 27 geschlossen, das im Ruhezustand genau in der Mitte gegenüber den drei Polen des Magnetkernes 23 angeordnet ist. Dieses Joch 27 wird von einer nichtmagnetischea Masse 28 gehalten, welche mittels dünner elastischer Bänder 29 gehalten wird. Diese nichtmagnet!sehe Masse 8 wirkt demzufolge in der Ebene der Fig. 4,· d.h. in der Ebene durch die Achse OG. Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Gehäuse kann demzufolge um die Achse 4 oszillieren, dessen Lager 5 wie bereits erwähnt, mit Dämpfungselementen versehen sein können. Im Normalzustand sind die elastischen Bänder 29

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vertikal, so daß die nichtmagnetische Masse 28 zentriert ist. Der durch die mittlere Wicklung 25 geleitete Wechselstrom induziert demzufolge in den seitlichen Wicklungen 24, 26 genau identische, jedoch entgegengesetzte Ströme. Sobald jedoch die gyroskopische Einheit 2, 3 aus ihrer Ruheposition gebracht wird, indem dieselbe um die Elevationsachse verschwenkt wird, werden die elastischen Bänder 9 aus der Vertikalen gebracht, wobei die magnetischen Kreise der Wicklungen 24, 26 verschieden werden. An den Klemmen 32, welche die gemeinsamen Ausgänge der beiden entgegengesetzt · gewickelten Wicklungen 24, 26 darstellen, tritt somit ein Differenzsignal auf. Der durch geeignete Weise gemessene Strom ist dabei proportional zur Abweichung Θ, während das Vorzeichen der Richtung der Neigung entspricht.

Gemäß Fig. 3 ist innerhalb des Gehäuses 2 der Rotor 1 gelagert, welcher vorzugsweise durch einen nicht dargestellten Synchronmotor angetrieben ist. Der Rotor 1 wird mittels eines ersten Rahmens 3^ bzw. einem dementsprechenden Äquivalent entlang einer durch die Zapfen 35 festgelegten Achse gehalten, welche der Elevationsacb.se entspricht. Die Zapfen 35 sind wiederum in einem weiteren Rahmen 36 gelagert, der mit vertikalen Zapfen 37 versehen ist, die wiederum in dem Gehäuse 2 gelagert sind. Änderungen der Position der Rotorachse innerhalb seiner Halterung werden mit Hilfe von Elevations- und Azimutdetektoren 38> 39 festgestellt, deren Prinzip dasselbe wie des in Fig. 4 dargestellten Detektors ist. An jeweils einem der Zapfen 35, 37 sind Arme 40 befestigt, welche an Stangen 41 angelenkt sind. An den Enden dieser Stangen 41 sind bewegliche Joche 42 befestigt, welche gegenüber E-förmigen Masnetkernen 43 verschiebbar sind, die in etwa den in Fig. 4 beschriebenen Magnetkernen entsprechen. Im allgemeinen erscheint es zweckmäßig, für jede

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ι·: i.

Achse zwei gegenüberliegende symmetrische Detektoren zu verwenden, welche.in Serie angeordnet sind, damit nur die Verschiebungen in der Drehrichtung gemessen werden, während translatorische Verschiebungen des Rotors 1 gegenüber sei-ner Halterung eliminiert werden. An den Armen 4o sind weitere Stangen 45 angelenkt, welche mit entsprechenden Armen von Azimut- und Elevationsstellmotoren 46, 47 verbunden sind. Diese Stellmotore 46, 47 erlauben die übertragung eines· Drehmoments auf das Gyroskop, und zwar proportional zur Größe des' diesen Stellmotoren 46, 47 zugeführten Signales. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit und die Drehrichtung der Verschiebung eingestellt werden, indem die Größe und das Vorzeichen des jedem Stellmotor 46, 47 zugeführten Signals beeinflußt wird. Um die Gegenkräfte des Rotors 1 zu berücksichtigen, wirkt der Azimutstellmotor 46 auf die horizontale Achse, welche durch die Zapfen 45 festgelegt ist, während der Elevationsstellmotor 47 auf die durch die Zapfen 37 festgelegte vertikale Achse wirkt. . ·

Mit Hilfe dieser Stellmotore 46, 47 kann erreicht werden,

daß . - .

a) eine. Korrektur der geographischen Breite/vorgenommen wird, indem eine entsprechende vorgegebene Kraft durch den Azimutstellmotor 46 hervorgerufen wird, wobei die Einstellung manuell mit Hilfe eines Potentiometers erfolgt, . ,

b) die Achse dec Gyroskops in der Horizontalen aufrechterhalten wird, falls das Gyroskop als Richtungsgyroskop arbeitet, indem auf den Elevationsstellmotor 47 ein Korrektursignal in Abhängigkeit der Neigung-der Achse des Gyroskops aufge- -

. bracht wird, wobei diese Neigung mit Hilfe der in dem Gehäuse 3 vorhandenen Anordnung gemessen wird.

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Damit die Halterung des Rotors 1 um die Zapfen 35, 37 ohne Drehmomente erfolgt, ist es notwendig, die Halterung der gyroskopischen Einheit gegenüber dem Rotor 1 derart zu steuern, daß die durch die Elevations- und Azimutdetektoren 38, 39 festgestellten Abweichungen auf Null zurückgebracht werden".

Die in Fig. 3 dargestellte gyroskopische Einheit ist gegenüber der Schwerkraft pendelnd aufgehängt, wobei die Verschiebung in Elevationsrichtung verwendet wird, um'das Gyroskop in Richtung des Meridians zu bewegen, sobald die Achse des Rotors 1 nicht genau in der Nord-Süd-Richtung liegt. Wenn das auf die in Fig. 3 dargestellten Anordnung wirkende Pendelmoment, d.h. das Drehmoment, das bei Elevatlonsneigung des Gyroskops auftritt, mit Mp bezeichnet wird, und wenn bei Abweichung des Gyroskops von dem Meridian ein Winkel θ auftritt, kann das auftretende Drehmoment wie folgt festgelegt werden:

CH = Mp sin θ = Mp θ . (9)

Die Vereinfachung ergibt sich dabei aufgrund der Tatsache, daß der Winkel θ sehr klein ist. Die Korrektur des Breitengrades ergibt sich hingegen- aufgrund der Differentialgleichungen für die Bewegung des Gyroskops im Verhältnis zur Erde, was wie folgt ausgedrückt werden kann:

§ =*"e ^oos

dd> MpQ

dt ⁼ " H (11)

dabei ist H das kinetische Moment des Gyroskops. Die Lösung

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dieser Gleichungen zum Zeitpunkt Null unter der Annahme ist demzufolge: · .

sin

cos ^E ^00B* t ■ . ' (I₅)

Das Gyroskop hat somit die Tendenz, mit der folgenden Periode zu oszillieren:

-H- ■ (14)

T = ZT Λ/MpWg eosA,

Dabei ist zu bemerken, daß diese Periode sowohl um die Achse ss¹ als auch um die Achse OV dieselbe ist, und daß diese beiden Oszillationen in Quadratur zueinander stehen«

Um diese Oszillationen zu dämpfen, erweist es sich als ,zweckmäßig, auf die vertikale Achse des Rotors 1 ein Drehmoment aufzubringen, das proportional zu θ ist, während die Richtung des Drehmoments derart gewählt ist, daß die sich ergebende Verschiebung den Neigungswinkel θ verringert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dieses Drehmoment mit Hilfe des Elevationsstellmotors ^7 aufgebracht,' während gleichzeitig ein Drehmoment um die Elevationsachse dem Azimutstellmotor zugeführt wird, um das Gyroskop in Richtung des Meridians zu verstellen. In diesem Fall wird der Ausdruck - _tff auf der

■ IT

rechten Seite der Gleichung 10 eingeführt, wobei M₁-, ein

entlang der vertikalen Achse verlaufendes Drehmoment ist/ das per Radien Elevationsneigung aufgebrächt wird.

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Zur Erzielung einer Dämpfung ergeben die Stellmotore 46, 47 die folgenden Vorteile, indem

a) die Drehmomente für die Schwerkraft und die Dämpfung je nach den Bedürfnissen auf die gewünschten Werte leiöht eingestellt werden können, und ·

b) die von den Stellmotoren erzielten Dämpfungen auf Null gebracht werden können, um das Gyroskop in ein Richtungsgyroskop umzuwandeln.

So wie dies in Pig. 7 dargestellt ist, beschreibt das äußere Ende der Rotorachse bei Abwesenheit von Dämpfung um die Nordrichtung N senkrecht zur Ebene der Pig. 7 eine Ellipse 50, Vielehe aus zwei nicht in Quadratur befindlichen nicht gedämpften Oszillationen zusammengesetzt 1st. Bei Vorhandensein einer geeigneten Dämpfung ergeben sich Veränderungen von φ und Θ, entsprechend den Kurven 5I und 52 von Pig. 6, was in Fig. 7 zu der spiralförmigen Dämpfungskurve 53 führt. Anhand der Kurve 53 ergibt sich, daß eine relativ rasche Annäherung der Gyroskopachse in Nordrichtung stattfindet, wobei die Schnelligkeit der Annäherung von den Eigenschaften der Dämpfung und der gewählten Periode abhängt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist das In Fig. dargestellte Richtungsgyroskop, welches mit den Indan Fig. 3 und 4 dargestellten Einheiten versehen ist, entsprechend dem Blockdiagrarnm von Fig. 5 elektrisch angeschlossen. Der Elevationsdetektor 38 ist über einen Verstärker 55 mit dem Elevationsservomotor 13 verbunden. In gleicher Weise ist der Azimutdetektor 39 über einen Verstärker 56 mit dem Azimutservomotor 54 verbunden. Jegliche Verschiebung des Rotors 1 in bezug auf das Gehäuse 2 wird von den Detektoren 38* 39 festgestellt. Entsprechende vorstärkte Korrektursignale werden den Servomotoren 13*'14 zugeführt, welche

das Gehäuse 2 in eine derartige Position zurückbringen/ daß die Fehlersignale auf Null zurückgehen. Der Hauptzweck dieser Servomotoren IJ, 14 besteht darin, das Drehmoment in der Aufhängung des Gyroskoprotors gegenüber dem Gehäuse zu annulieren, so daß die entsprechenden Elevations- und Azimutringe 6, 7 der Bewegung des Gyroskops folgen können. Zur Korrektur des Breitengrades erhält der Azimutstellmotor 46 mittels eines mit einem Stellknopf 57a versehenen Potentiometers 57 ein Korrektursignal, welches in Abhängigkeit der bekannten Breite λ eingestellt wird. Dieses Korrektursignal wird über einen Regelkreis 58 und einen Verstärker 59 dem Azimutstellmotor 46 zugeführt. Das Gyroskop erhält somit ein korrekturdrehmoment gleich dem Wert Hj„ sin/l, welches die spontane Bewegung in Azimutrichtung des Gyroskops aufgrund der vertikalen Komponente der Erddrehung annuliert.

Die in Fig. 5 dargestellte Schaltanordnung weist im übrigen zwei miteinander verbundene Kontaktarme 6l, 62 auf,' welche die Kontaktpunkte P_Q bis P^, bzw. P₀, bis P-,t bestreichen. Bei Stillstand des Gyroskops bzw. beim Anlassen seines Motors befinden sich die Kontaktarme 61, 62 in Berührung mit den Klemmenpunkten P_Q bzw. P_Q,. In der dargestellten Position befinden sich die Kontaktarme 61, 62 in Berührung mit den Kon-v _x' taktpunkten P, bzw. P,? . Mit Hilfe der Einheit \3 kann demzu-r- ■ folge die Elevationsbewegung des Gyroskops festgestellt werden, indem einzig und allein über den*Regelkreis 63 und den Verstärker 60 eine Verbindung.zu-dem Elevationsstellmotor 47 hergestellt ist. Der Azimutstellmotor 46 erhält hingegen keine Information von dem die vertikale Lage feststellenden Detektor 3·-Sobald-die Achse des Rotors 1 eine Schwenkung durchführt, welche von der Horizontalen abweicht,, bewirkt der EIevationsstellmotor 47 auf den Rotor 1 ein Drehmoment, wodurch eine Verstellung in entgegengesetzter Richtung hervorgerufen

wird. Es erfolgt somit eine konstante Zurückführung in die horizontale Position. Da über den Azimutstellmotor 4t£eine Breitengradkorrektur vorgenommen wird, arbeitet das Gyroskop in der in Fig. 5 dargestellten Schalterstellung als Richtungsgyroskop.

In den den Kontaktpunkten P₂, P-, bzw. Pgt, P-*t entsprechenden Schalterstellungen arbeitet das Gyroskop als gyroskopischer Kompaß, wobei in diesen Stellungen das Gyroskop ebenfalls eine gedämpfte Pendelbewegungausübt. Die Information des Pendeldetektors wird demzufolge über einen oder den anderen der beiden Kreise 65 bzw. 66 und dem Verstärker 69 dem Azimutstellmotor 46 zugeführt, was eine Wahl des Wertes des Drehmoments Μρθ zuläßt. Dadurch wird das Gyroskop in Richtung des Meridians zurückgeführt, wobei die Kreise 65, 66 eine Wahl der Oszillationsperiode zulassen. Zusätzlich sind Dämpfungskreise 67, 68 zwischen dem Kontaktarm(i$2 und den Verstärker geschaltet, so daß der Elevationsstellmotor 47 nicht nur einen Strom erhält, der die Achse des Gyroskops in der Horizontalen hält, sondern auch einen Strom, welcher eine Dämpfung der EIevationsverschiebung des Gyroskops gewährleistet, d.h. das Dämpfungsdrehmoment Μρθ festlegt.. Palis die Werte M und ML durch die verschiedenen Kreise einschließlich des Verstärkers 69 groß sind, ist die Oszillationsperiode des Gyroskops kurz und die Dämpfung sehr groß. Das Gyroskop orientiert sich somit Innerhalb eines relativ kurzen Zeitraumes - beispielsweise einigen Minuten - in Richtung geographisch Norden. Falls hingegen die Faktoren M und M₀ relativ klein sind, 1st die Oszillationsperiode des Gyroskops relativ lang, während trotzdem die Dämpfungsfaktoren zufriedenstellend sind. Die Bestimmung des Nordens erfolgt dabei langsamer, jedoch viel genauer.

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Es kann ein bestimmtes Interesse daran bestehen, die Paktoren M "und ML so zu wählen, daß die Gyroskopperiode gleich der Periode Schuler - d.h. ungefähr 84 Minuten ist, so daß ein derartiger Gyroskopkompaß auf einem sich in Bewegung befindlichen Fahrzeug verwendet werden kann, wobei das Gyroskop unempfindlich gegenüber Beschleunigungen ist, was aus in dem folgenden noch zu erläuternden Gründen Bedeutung haben kann. ·

Bei einem in einem Fahrzeug angeordneten Gyroskop befinden sich die Kontaktarme 61, 62 vor dem Starten und nach dem Anlaufen des Gyroskops, welches vorzugsweise ungefähr gegen Norden ausgerichtet ist, in den Positionen P₂ bzw. Ppt* was eine relativ rasche Suche des Nordens erlaubt. Nach ungefährer Stabilisation des Gyroskops werden die Kontaktarme . 61, 62 dann auf die Kontaktstellen P^, bzw. Ρ-,ι gebracht, was eine genaue Festlegung der Nordrichtung ermöglicht. Sobald das Fahrzeug losfährt, selbst wenn die Achsenorientierung· noch nicht vollständig durchgeführt ist, werden die Kontaktarme 61, 62 dann auf die Kontaktpunkte P₁ und P₁I gebracht, so. daß das Gyroskop nunmehr als Richtungsgyroskop arbeitet.

Die verschiedenen Bedienungsschritte können automatisiert werden, indem die Steuerung für die Kontaktarme 61, 62 mit einem Bewegungsdetektor des Fahrzeuges - beispielsweise den Rädern bzw. den Ketten bzw. einem Steuerorgan, wie dem Schalthebel oder dem Gaspedei - verbunden werden. Falls das Gyroskop mit einem Rechner verbunden wird, kann mittels dieses Rechners bei Inbetriebnahme des Kraftfahrzeuges eine Steuerung der Kontaktarme 61, 62 erfolgen, während beim Stillstand des Kraftfahrzeuges eine Zurückbringung der Kontaktarme 61,62 in die Eichposition des Gyroskops vorgenommen wird. . ' \

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Palls das Kraftfahrzeug sehr lange Betriebsperioden ohne. Stillstand durchführt, während welcher keine Neueichung des Gyroskops vorgenommen werden kann, dann kann es vorteilhaft sein, das Gyroskop als Kompaßgyroskop und nicht als Richtungsgyroskop zu betreiben. Aufgrund der nichtkompensierbaren Abweichungen eines Richtungsgyroskopes kann nämlich der Fehler bei langen Betriebzeiten - beispielsweise in der Größenordnung von Tagen - sehr groß werden.

Dieser Fehler kann dann größer sein als der «ines gyroskopischen Kompasses, der den verschiedenen Wechselbewegungen bei der Ortsveränderung ausgesetzt ist.

Um den Einfluß von Beschleunigungen des Kraftfahrzeuges zu annulieren, kann die Periode des als Kompaß arbeitenden Gyroskops, wie bereits erwähnt, auf die Schuler^-Periode eingestellt werden. Im übrigen .erscheint es zweckmäßig, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeuges zu kompensieren, falls das Gyroskop als Kompaßgyroskop arbeitet. Es sei nunmehr angenommen, daß das Kraftfahrzeug sich in Richtung Norden bewegt. Wegen der KrUm- * mung der Erde dreht sich das Kraftfahrzeug in der Meridianebene mit einer Winkelgeschwindigkeit X , wobei ν die Eigengeschwindigkeit und R der Erdradius ist. Falls das Gyroskop als Richtungsgyroskop verwendet wird, wird seine Achse durch den Servokreis in der Horizontalen gehalten. Dabei ist das Gyroskop unempfindlich gegenüber der Geschwindigkeit des Kraftfährzeuges. Ein Schwenkdrehmoment auf das als Kompaß arbeitendes Gyroskop bewirkt jedoch eine Verschiebung in Richtung Westen. Demzufolge muß dem Gyroskop ein Drehmoment aufgebracht werden, welches eine Zurücksetzung der vertikalen Achse bewirkt, wobei dieses Drehmoment proportional zur Komponente entsprechend der Nord-Süd-Achse und der Geschwindigkeit des Fahrzeuges ist. Dieses Drehmoment ist somit gleich

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■ - 19- ' "

wobei C der Kurswinkel ist. Der Wert der Geschwin-JrI

digkeit V kann auf einem Potentiometer 70 eingestellt werden, wobei diese Einstellung unter Umständen automatisch mit Hilfe eines Tachogenerators Jl erfolgt, der von dem Kraftfahrzeug angetrieben ist. Die von. dem Potentiometer 70 eingestellte Spannung wird dem Rotor des Resolvers 20 zugeführt, der in seiner Statorwicklung ein Signal proportional ν cos C abgibt. Nach Durchlauf durch einen Verstärker 72, welcher den Wert

TT ■ -

§■ eingibt, und zusätzliche Einstellungen-ermöglicht, wird das somit gebildete Korrektursignal dem Elevationsstellmotor 4-7' zugeführt. In dem Stromkreis ist zusätzlich ein Schalter 7> vorgesehen, welcher nur in der Position V^ P^,-der Kontaktarme 61, 62 geschlossen werden kann. Mit Hilfe dieses Schalters 73 kann im Normalbetrieb der oben beschriebene Kreis abgeschaltet werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gyroskope, · mit welchen die genaue Marschrichtung von Erd- und Seefahrzeugen festgestellt werden kann, wobei insbesondere bei automatischer Berechnung die Länge und Breite des zurückgelegten Weges festgestellt werden kann.

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Claims (4)

- 20 Patentansprüche

1. Richtungsgyroskop für Fahrzeuge mit einem um die Elevationsachse und eine vertikale Achse beweglichen pendeiförmig gelagerten Gyroskop, bestehend aus einem Gehäuse, einem die Pendelbewegungen des Gehäuses feststellenden elektrischen Detektor, sowie zwei entsprechend der Elevation und dem Azimut die Position des Gyroskoprotors in bezug auf das Gehäuse feststellenden Detektoren, welche mittels Servomotoren die Elevations- und Azimutposition des Gehäuses bezüglich dieser Achsen steuern, sowie einer elektrischen Einrichtung, welche auf den Rotor Drehmomente aufbringt, einschließlich eines permanenten Drehmoments zur Korrektur des Breitengrades, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einrichtung des Gyroskops (1) zwei Kontaktarme (6l, 62) aufweist, welche wenigstens zwei Schaltpositionen besitzen, wobei in der einen Schalterposition der Pendeldetektor (j5) mit einer elektrischen Einrichtung verbunden ist, welche entsprechend der Elevationsverschiebung des Rotors (1) ein Drehmoment ergibt, wodurch eine Kompensation der Elevationsveränderung der Achse des Rotors (1) hervorgerufen ist, während Inder zweiten Schalterposition der Pendeldetektor (j5) über einen den Einfluß der Kompensation verringernden Kreis mit der elektrischen Einrichtung verbunden ist, während der andere Kontaktarm den Pendeldetektor (3) über eine die Rotorabweichung in Azimutrichtung korrigierende elektrische Einrichtung mit einem zweiten Netz verbindet.

2. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Einrichtungen für die Achsen des Rotors Stellmotore (46, 4-7) sind, welche über Dämpfungskreise (67, 68) zur Festlegung eines vorgegebenen Drehmoments gespeist sind.

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3· Gyroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktarme (61, 62) wenigstens eine dritte Kontaktposition aufweisen, welche dieselben elektrischen Verbindungen wie die zweite ergeben, wobei jedoch die Dämpfungsvier te verschieden sind, wobei einer dieser-Dämpfungswerte eine Oszillationsperiode der Gyroskopeinheit von kleiner als 20 Minuten, wahrend der andere Dämpfungswert von größer als eine Stunde ergibt.

4. Gyroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Breitengradkorrektur eine von Hand einstellbare Spannung dem Azimutstellmotor (46) zuführbar ist.

5· Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e kennzeichnet, daß die Kontaktarme (61, 62) in der dritten Position eine Oszillationsperiode "Schuler" ergeben, und daß in dieser Position eine der Geschwindigkeit des Fahrzeuges entsprechende Spannung der Rotorwieklung eines mit seinem Rotor an dsr vertikalen Achse (9) des Gyroskops befestigten Resolvers (20) zugeführt ist, wahrend von der Statorwicklung des Resolvers (20) über einen entsprechenden Verstärker (72) ein Signal dem Elevationsstellmotor (47) zugeführt ist.

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