DE2647849C2 - Kreiselvorrichtung - Google Patents

Description

des Kreisels nur dann, wenn der Kreiselmotor mit einer Drehzahl unter seiner normalen Betriebsdrehzahl läuft.

Diese Maßnahmen ermöglichen es, die Kardanachse innerhalb von nur 1 oder 2 Sekunden wenigstens grob mit den Fahrzeugachsen auszurichten.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert

Die Fig. 1 und 2 zeigen in schematischen Blockschaltbildern die Teile einer Trägheitsplattform unter Verwendung zweier lagerfreier Kreisel. Die Doppellinien bezeichnen mechanische Verbindungen, wie z. B. zwischen der Kardanachse, dem Drehgeber und dem Drehmomenterzeuger.

Einer der beiden lagerfreien Kreisel, welcher mit gyro 1 bezeichnet ist, weist zwei senkrechte Achsen GiX und G1Y auf, von denen jede einen Kreiselmeßwertgeber und einen Drehmomenterzeuger aufweist. Diese Achsen können meist mit den X- und Y-Achsen der Plattform übereinstimmen und jede dieser Achsen ist mit einem Beschleunigungsmesser versehen.

Der zweite lagerfreie Kreisel gyro 2 weist ebenfalls zwei senkrechte Achsen auf. Eine der Achsen, die Achse G2Z, fällt mJt der dritten Achse der Plattform zusammen, und ist ebenfalls mit einem Meßwertgeber und einem Drehmomenterzeuger versehen. Die andere Achse des gyro 2, welche mit G2R in der Zeichnung bezeichnet ist, ist redundant und ihr betreffender Meßwertgeber und Drehmomenterzeuger ist in geschlossenem Kreis geschaltet, um ein Wandern der Acnse zu verhinden.

Die drei Kardanachsen der Plattform, welche mit den Achsen GAfI, GM 2 und GAi3 bezeichnet sind, sind jeweils mit einem Drehgeber und einem Drehmomenterzeuger versehen. Zur Veranschaulichung kann man sich die Kardanachsen GAiI, GM2 und GAi3 beispielsweise als Azimut, Rollen und Drall bzw. Neigung vorstellen.

Wie in der Zeichnung dargestellt, fällt die Kardanachse GM 1, d^:.i Azimutachse mit der Achse G2Zdes Kreisels überein. An dieser Achse befindet sich ein Drehgeber 10 und ein Kardandrehmomenterzeuger 11. Der Ausgang des Drehgebers liegt über dem Summator 12, den Schalter SR und den Verstärker 13 an dem Drehmomenterzeuger 11 an. Der andere Eingang des Summators i2 wird von einem äußeren Referenzsignal gebildet Die Kardanachse GM2 weist einen Drehgeber

14 auf, welcher über den Schalter SB und den Verstärker

15 an dem Drehmomenterzeuger 16 anliegt, während der Drehgeber 17 der Kardanachse GM3 über den so Schalter SC und den Verstärker 18 mit dem Drehmomenterzeuger 19 verbunden ist

Wie bereits erörtert, sind der Meßwertgeber 20 und der Drehmomenterzeuger 21 der anderen Achse G 2R des Kreisels 2 als geschlossener Kreis über den Verstärker 22 geschaltet Diese Schleife ist nicht erforderlich, wenn ein einachsiger Kreisel anstatt des Kreisels 2 verwendet wird.

Die beiden Kreiselachsen G \X und G1Y beziehen sich auf den Kreisel 1, welcher bei der vorliegenden Erfindung ein dynamisch abgestimmter lagerfreier Kreisel sein muß. Der Kreiselmeßwertgeber 23 auf der Achse G lAiiefert Signale zu einem Eingang eines Summators 24. Der Ausgang des Summators liegt an einem Resolver 25 an. Ähnlich liefert der Kreiselmeßwertgeber 26 auf der Achse GlYSignale zu einem Eingang eines Sumrnators 27, dess ;n Ausgang ebenfalls mit dem Resolver 25 verbunden ist Auf der Achse X der Plattform ist ein Beschleunigungsmesser 28 angebracht Der Beschleunigungsmesser ist tatsächlich so angeordnet, daß er auf die Beschleunigung der Plattform längs der Y-Achse der Plattform ansprechen kann, jedoch die Schwerkraft erfassen kann, wenn er um die X-Achse sich neigt Der Ausgang des Beschleunigungsmessers ist mit einem Nivellierungsfilter 29 und mit einem Navigationsrechner 30 an Bord verbunden. Der Ausgang des Nivellierungsfilters 29 ist über einen Schalter SD mit dem Kreiseldrehmomenterzeuger 31 auf der X-Achse verbunden sowie über einen Schalter SE mit einem zweiten Eingang des Summators 27, welcher zuvor beschrieben worden ist

Auf ähnliche Art und Weise trägt die Y-Achse der Plattform einen Beschleunigungsmesser 32, der derart angeordnet ist, daß er auf die Beschleunigung der Plattform längs der X-Achse der Plattform anspricht und die Schwerkraftneigung um die Y-Achse erfaßt Der Ausgang dieses Beschleunigungsmessers ist mit einem Nivellierungsfilter 33 und dem Navigationsrechner 30 an Bord verbundea Der Augang des N? «jllierungsfilters 33 ist über einen Schalter SF mit dem Krdseldrehrr.cmenterzeuger 34 auf der Y-Achse, sowie über einen Schalter SG mit einem zweiten Eingang des Summators 24 verbundea

Die Ausgänge des Navigationsrechners an Bord können ebenfalls an den Kreiseldrehmomenterzeuger 31 und 34 über die Schalte SD und SF anliegen.

Der Resolver 25 teilt die Eingänge in Komponenten um die senkrechten Kardanachsen GM 2 und GAi 3 auf und liefert die betreffenden Komponenten zu den Kardandrehmomenterzeugern 16 und 19 über die Schalter SB und SC

Der Schalter SA kann so betätigt werden, daß der Kreiselmeßwertgeber 35 auf der Achse G 2Z direkt mit dem KardandrehmomenteTzeuger 11 auf der Kardanachse 1 verbunden ist während der Kreiseldrehmomenterzeuger 36 auf dieser Achse direkt mit dem Navigationsrechner 30 an Bord verbunden ist

Jeder der sieben Schalter SA bis SG ist als ein Vier-Stellungs-Schalter ausgebildet In zwei Fällen, nämlich bei den Schaltern SE und SG ist keine Verbindung mit den Schaltstellungen 3 und 4 vorgesehen. Die Schalter werden nach Maßgabe einer Folge von Abläufen bei der Ausrichtung der Plattform betätigt und die Anzahl der einzelnen Stufen bei der Ausrichtung der Plattform sind in der Zeichnung an den Schaltkontakten angegebea

Der Vorgang zur Ausrichtung der Plattform wird im folgenden näher erläutert Es sei angenommen, daß die Kreisel ausgeschaltet worden sind, und daß die Plattform zum Stillstand gekommen ist, wobei alle Achsen unausgerichtet sind. Der Ausrichtungsvorgang läuft in drei Stufen ab, an die sich die normale Navigationsart anschließt, welche unter Steuerung des Navigationsrechners an Bord abläuft

In der ersten Stufe ist es erforderlich, daß a<b Schalter SA bis SG in der Position 1 sind. In dieser Position sind die Drehgeber auf den Achsen GAi 2 und GAf3 direkt mit den betreffenden Kardandrehmomenterzeugern verbunden. Der Drehgeber 10 auf der Achse GM1 ist mit dem Drehmomenterzeuger U auf derselben Achse unter Steuerung durch das über des Summator \2 von außen anliegende Referenz-Signal verbunden. Die drei Drehgeber liefern Ausgänge, welche jegliche Fehlabgleichung bzw. Fehlausrichtung zwischen den Kardanachsen und den Achsen des Fahrzeuges angeben, in dem die Plattform angeordnet ist, und diese Stufe der Ausrichtung hat zum Ziel, die Drehmomenterzeuger anzu-

treiben, bis die Kardanachsen wenigstens grob mit den Fahrzeugachsen ausgerichtet sind. Dieser Vorgang läuft sehr schnell ab, und hierfür werden nur eine oder zwei Sekunden benötigt Dieser Vorgang läßt sich auch auf Plattformen anwenden, bei denen an sich bekannte Kreisel vorgesehen sind. Alle Ausgänge von den Kreiselmeßwertgebern sind von den Drehmomenterzeugern in dieser Stufe gelöst und werden somit nicht beeinflußt

Während der ersten Stufe werden ebenfalls die Kreiseldrallmotoren eingeschaltet, so daß sie sich auf Nennbetriebsgeschwindigkeit beschleunigen können.

In der nächsten Stufe des Ausrichtungsvorganges werden die Schalter in die Position 2 umgelegt. Hierdurch werden nur die Schaltungen der Schalter SB und SC beeinflußt Demzufolge wird nur der Kreisel 1 stabilisiert Der Kreisel 2 bleibt uiiiet der Steuerung und deren Einwirkung durch das von außen anliegende Reiereni-Sigiim. In dcf Folge einer vorhandenen Fehiausrichtung der Fahrzeugachse bezüglich der Vertikalen, geben die beiden Beschleunigungsmesser die Neigung der ortsfesten Plattform um die Nick- und Rollachsen an. Wie bereits angegeben ist, spricht der Beschleunigungsmesser 28 auf der X-Achse der Plattform auf die Neigung um diese Achse sowie auf die tatsächliche Beschleunigung längs der V-Achse an. Der Ausgang dieses Beschleunigungsmessers wird über den Nivellierungsfilter 29 und den Schalter SE zu dem Summator 27 geleitet In dem Summator 27 wird dieses Signal zu dem Ausgang des Kreiselmeßwertgebers 26 auf der V-Achse der Plattform hinzuaddiert, so daß die tatsächliche Kompensation bzw. die tatsächliche Versetzung dieser Kreiselachse erfaßt wird. Das aufsummierte Signal liegt an dem Resolver 25 an. Der Ausgang des Resolvers 25 liegt an den Kardandrehmomenterzeugern 16 und 19 im Servogrundbetrieb an, um einen geringen Ausgang von dem Summstor 27 aufrechtzuerhalten. Die Kreiselachse wird dann um einen Betrag kompensiert, welcher von dem Eingang des Beschleunigungsmessers an dem Summator abhängig ist. Solange der Kreisel seine Nennbetriebsgeschwindigkeit nicht erreicht hat wird seine Aufhängung nicht auf die Drehzahl bzw. Arbeitsgeschwindigkeit abgestimmt, so daß folglich eine Federverbindung innerhalb des Kreisels vorhanden ist Die Abgleichung bzw. das Versetzen des Kreisels wirkt somit auf diese Federkupplung oder Federverbindung ein und bewirkt, daß der Kreiselrotor eine Präzession um die Achse GiX ausführt, wodurch andererseits die Neigung reduziert wird, welche von dem Beschleunigungsmesser 28 erfaßt worden ist

Auf ähnliche Art und Weise wird die Neigung um die V-Achse der Plattform durch den Beschleunigungsmesser 32 erfaßt dessen Ausgang in dem Summator 24 zu dem Ausgang des Kreiselmeßwertgebers 23 addiert wird. Das aufsummierte Signal wird durch den Resolver 25 aufgelöst und aufgeteilt und legt an den Kardandrehmomenterzeugem 16 und 19 an, um die X-Achse abzulenken, und bewirkt eine Präzession um die Achse GiY, wodurch die Neigung verringert wird.

Die Federkupplung in dem Kreisel nimmt um so mehr ab, je mehr der Kreiseldrallmotor seine Nenndrehzahl erreicht, und die Beschleunigungsgeschwindigkeit des Motors ist folglich so bemessen, daß Zeit zur Beendigung dieser Stufe zur Verfügung steht Während des oben beschriebenen Vorgangs liegen die Ausgänge des, bzw. der Beschleunigungsmesser ebenfalls über die Nivelüerungsfilter an den Kreiseldrehmomenterzeugern an, jedoch ist der Einfluß dieser Signale sehr gering, verglichen mit der durch die Federverbindung erzeugten Präzession.

Während der ersten beiden Stufen wird der Kreisel 2 um die Achse G2Z durch das von außen anliegende s Referenz-Signal ausgerichtet

Die Stufe 3 des Ausrichtungsvorganges schließt sich dann an, wenn der Kreiseldrallmotor mit Nenndrehzahi umläuft, und die Schalter werden auf die Position 3 umgelegt Nunmehr besteht keine Federverbindung

ίο zwischen den Kreiselacnsen, und die in der Stufe 2 beschriebene Vorgehensweise ist nicht mehr durchführbar. Nunmehr wird durch die Schalterstellungen ermöglicht, daß alle drei Achsen direkt durch die Kreiselmeßwertgeber gesteuert werden. Der Neigungsfehler ist nach- folgend auf die beiden ersten Stufen sehr gering, so daß die Ausgänge der Beschleunigungsmesser sehr gering oder nahezu Null sind. An jeder Achse liegt das Meßwertgebersignal an dem zugeordneten Kardandrehmoiiicüicrzciigcr an. Die Niveüierschleifen werden nun unter der Steuerung der Kreiseldrehmomenterzeuger durchlaufen und diese sind derart ausgelegt, daß sie ziemlich lange Zeitkonstanten besitzen, so daß die Bewegungen dos Fahrzeugs, an welchem die Plattform angebracht ist, die Ausrichtung der Plattform nicht be einflussen. Diese Bewegungen können von dem Anwerfen der Triebwerke eines Flugzeuges, durch die Bewegung von Personen oder ähnlichem verursacht werden. Die Atigänge der Nivellierungsfilter können nun von dem Navigationsrechner an Bord zur Feinausrichtung verarbeitet werden, wie dies beispielsweise für einen Kreiselkompaß erforderlich ist

Der Ausrichtungsvorgang umfaßt die oben angegebenen drei Stufen. Im normalen Betrieb sind die Schalter auf die Position 4 geschaltet, so daß sich die Kreisel drehmomenterzeuger an allen drei Achsen über den Navigationsrechner 30 an Bord ansteuern lassen. Dieser erhält Eingänge von den Beschleunigungsmessern und den Niveilierungsfiltern, die bei dieser Vorgehensweise meist vernachlässigt werden können.

Die hauptsächliche Zeitersparnis bei der oben angegebenen Vorgehensweise ergibt sich dadurch, daß in der zweiten Stufe eine Federverbindung vorhanden ist, wenn ein dynamisch abgestimmter lagerfreier Kreisel unterhalb seiner Nenndrehzahl umläuft Auf diese Art und Weise läßt sich die Beschleunigungszeit des Motors vorteilhaft dazu ausnutzen, daß sich ein schnelles Nivellieransprechen zu Beginn erzielen läßt, wodurch automatisch die Ansprechzeit auf das Ansprechen verlängert i-t, wie hier zur Verringerung der Auswirkungen von Fahrzeugbewegungen erforderlich ist Die Vertikalausrichtung ist faktisch innerhalb der Anlaufzeit des Kreisels beendet Bei an sich bekannten Anlagen, bei denen hierfür nur die Kreiseldrehmoment-Erzeugermotoren vorgesehen sind, bildete die Anlaufzeit eine Zeit- Vergeudung infolge der hohen Kreiselauswanderungsgeschwindigkeit die bei einem dynamisch abgestimmten lagerfreien Kreisel auftritt, wenn dieser nicht bei Nenngeschwindigkeit betrieben wird. Hierin ist auch der Grund zu sehen, daß der Kreiselmeßwertgeber keine genaue Anzeige der Position gibt in der die Aufhängung des Kreisels nicht aus der Richtung abgelenkt ist Die sich daraus ergebende Ablenkung und Federkonstante wird zur Vorspannung der Nivellierungsschleifen, und zwar aus der Position, die durch die Bees schleunigungsmesser als tatsächliche vertikale Richtung angegeben wird. Durch die Zeitabhängigkeit der Federkonstante bei der Beschleunigung des Kreiselmotors ist es schwierig, an sich bekannte Techniken anzu-

wenden, während hingegen die vorliegende Erfindung einen festen Fehler während des gesamten Ausrichtvorganges vorgibt, der proportional zu dem Fehler des Kreiselmeßwertgebers ist, die jedoch beide sehr klein sind und hierzu besser geeignet sind. Als weiterer Vorteil bei der vorliegenden Erfindung ergibt sich, daß wesentlich höhere Präzessionsraten erreicht werden, als diei iei der Verwendung eines an sich bekannten Kreiseldrehmomenterzeugers der Fall ist Dadurch las-

sen sich wesentlich schneller größere anfängliche Fehlausrichtungen ausgleichen, was andererseits auch bedeutet, daß die erste Stufe der Verfahrensweise schneller durchgeführt werden kann.

Die oben beschriebene Art und Weise läßt sich auch dann anwenden, wenn die Plattform nur einen dynamisch abgestimmten lagerfreien Kreisel aufweist, da die Stabilisierung der dritten Achse von außen erreicht wird.

hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kreiselvorrichtung mit einer Plattform, die in einem dreiachsigen Kardansystem gelagert ist, einem Drehgeber und einem Drehmomentmotor für jede Achse des "Kardansystems, wenigstens einem dynamisch abgestimmten lagerfreien Kreisel, der auf der Plattform abgestützt ist und einen Kreiselmotor und zwei Ansprechachsen aufweist, einem Meßwertgeber und einem Drehmomentmotor für jede Ansprechachse des Kreisels, zwei Beschleunigungsmesser auf der Plattform, deren Ansprechachsen mit den beiden Ansprechachsen des Kreisels fluchten, einem Resolver, der auf die Ausgänge der Meßwertgeber jeder Ansprechachse des Kreisels anspricht und aufgelöste Signale an die Drehmomentmotoren des Kardansystems legt, gekennzeichnet durch Signal-Summierschaltungen (24,27) zum Zusammenfassen des Ausgangs jedes Meßwertgebers (23,26) mit dem Ausgang der Beschleunigungsmesser (32, 28) auf der anderen Ansprechachse des Kreisels nur dann, wenn der Kreiselmotor mit einer Drehzahl unter seiner normalen Betriebsdrehzahl läuft

2. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signale von den Beschleunigungsmessern über Filter an die Summierschaltungen gelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (SE, SG) vorgesehen sind, um dri Ausgang der Filter (29, 33) an die entsprechende Summierschaltung (27, 24) zu legen nur dann, wenn der Kreiselmotor mit einer Drehzahl unter seiner normalen Betrieb^drehzahl läuft

3. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (SA, SB, SQ vorgesehen sind, um den Ausgang jedes Drehgebers (10,14, 17) mit dem entsprechenden Drehmomentmotor (11, 16,19) auf der betreffenden Achse zu verbinden, ehe der Kreiselmotor seine Nenndrehzahl erreicht hat

4. Verfahren zum Ausrichten einer Kreiselvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Verbinden des Ausgangs des Drehgebers (10, 14, 17) jeder Kardanachse mit dem Drehmomentmotor (11,16,19) auf dieser Achse, ehe der Kreiselmotor seine Nenndrehzahl erreicht hat;

b) Verknüpfen des Ausganges der Meßwertgeber (23, 26) der einen Achse mit dem Ausgang der Beschleunigungsmesser (28,32) der anderen Achse bei jeder der beiden Ansprechachsen des Kreisels, Aufteilen der beiden verknüpften Ausgänge auf die beiden Achsen und Anlegen der aufgeteilten Komponenten an die Drehmomentmotoren (16, 19) des Kardansystems nur dann, wenn der Kreiselmotor mit einer Drehzahl unter seiner Nenndrehzahl läuft;

c) Verbinden des Ausgangs des Meßwertgebers (23, 26) auf jeder Achse mit dem Drehmomentmotor (16, 19) auf derselben Achse und Anlegen von Steuersignalen an die Drehmomentmotoren (31,34,36) des Kreisels, wenn der Kreiselmotor mit Nennbetriebsdrehzahl läuft

Die Erfindung betrifft eine Kreiselvorrichtung mit einer Plattform, die in einem dreiachsigen Kardansystem gelagert ist, einem Drehgeber und einem Drehmomentmotor für jede Achse des Kardansystems, wenigstens einem dynamisch abgestimmten lagerfreien Kreisel, der auf der Plattform abgestützt ist und einen Kreiselmotor und zwei Ansprechachsen aufweist, einem Meßwertgeber und einem Drehmomentmotor für jede Ansprechachse des Kreisels, zwei Beschleunlgungsmes-

to sern auf der Plattform, deren Ansprechachsen mit den beiden Ansprechachsen des Kreisels fluchten, einem Resolver, der auf die Ausgänge der Meßwertgeber jeder Ansprechachse des Kreisels anspricht und aufgelöste Signale an die Drehmomentmotoren des Kardansystems

ie legt

Aus der DE-OS 2006 026 ist eine Einrichtung zum Ausrichten einer kreiselstabilisierten Trägheitsplattform bekannt, mit einem Azimutkreisel, einem Nordkreisel und einem Ostkreisel, sowie Beschleunigungsmessern für Nord-, Ost- und Vertikalbeschleunigung, wobei auf einen Momentengeber des Ostkreisels ein Signal nach Maßgabe des Ausganges des Nord-Beschleunigungsmessers geschaltet ist Es ist ferner ein Rechner vorgesehen zur Berechnung und Speicherung eines Fehlerwinkeis der Azimutausrichtung. Erreicht werden soll hiermit eine schnelle Ausrichtung bzw. Feststellung des Ausrichtfehlers bei Trägheitsplattformen.

Aus der DE-OS 20 56 997 ist eine Einrichtung zum selbsttätigen Ausrichten einer kreiselstabilisierten Trägheitsplattform vor dem Start bekannt, mit einem Azimutkreisel, einem Nordkreisel und einem Ostkreisel, sowie Beschleunigungsmessern für Nord- und Ostbeschleunigung und von den Kreiselsignalen beaufschlagten Plattformstützmotoren, wobei Signale von Beschleunigungsmessern über integrierende und ggf. proportionale Glieder im ausrichtenden Sinne auf Drehmomentengeber aufgeschaltet sind, die um die Ausgangsachsen von Kreiseln wirken. Die Einrichtung umfaßt ferner einen Analog-Digital-Wand¹ τ zum Umsetzen der Signale in dazu proportionale Impulsfrequenzen, sowie Inkrementenrechner, die mit diesen Impulsfrequenzen beaufschlagt sind und nach Maßgabe der Übertragungsfunktionen für die Aufschaltung der Beschleunigungsmesser-Signale auf die Drehmomentengeber Impulsfolgen erzeugen, welche in Form von Normimpulsen unmittelbar auf diese Drehmomentengeber geschaltet sind. Erreicht werden soll mit diesen Maßnahmen, die Plattformausrichtung vor dem Start auf möglichst einfache Weise digital durchzuführen.

Schließlich ist aus der DE-OS 22 37 069 eine kreiselstabilisierte Plattform mit Lagereferenzkreiseln bekannt, von deren Abgriffsignalen über einen Servokreis mit Servomotoren die Plattformlage stabilisierbar ist Als Lagereferenzkreisel sind hierbei dynamisch abgestimmte trockene Kreisel vorgesehen, bei denen der Kreisel von flexiblen Gelenken gehalten ist, deren Federmomente durch dynamische Momente kompensiert werden.
Gegenüber diesen bekannten Einrichtungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Kreiselvorrichtung mit einer Plattform der eingangs genannten Art eine schnelle erste Grobausrichtung der Plattform bezüglich der Achsen eines Fahrzeuges zu schaffen, in welchem die Kreiselvorrichtung angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch Signal-Summierschaiturigen zum Zusammenfassen des Ausgangs jedes Meßwertgebers mit dem Ausgang der Beschleunigungsmesser auf der anderen Ansprechachse