DE2903282B1

DE2903282B1 - Geraet zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung

Info

Publication number: DE2903282B1
Application number: DE2903282A
Authority: DE
Inventors: Uwe Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1979-01-29
Filing date: 1979-01-29
Publication date: 1980-06-26
Also published as: FR2447538B2; GB2040450A; DE2903282C2; FR2447538A2; GB2040450B

Description

Aus dem Verhältnis

und

10

eingerichtet ist, wobei der Index 1 jeweils das Signal vor der Verdrehung um die vertikale Achse und der Index 2 das Signal nach dem Rückdrehen in die Ausgangsstellung bezeichnet.

U_xK_Tx H

(1)

(2)

K_Tx ■ U_x

Qy

= tan ψ

kann die Nordabweichung ψ nach

ψ = arc tan

K_Tx ■ U_x

_Ty

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels, bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist, bei welchem die Lage des Kreisels durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmomenterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird, bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind, bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist und bei welchem schließlich die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungsrechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefert.

Das Hauptpatent geht davon aus, daß die auf die Drehmomenterzeuger gegebenen, den Kreisel fesselnden Signale U_x und U_y mit den Komponenten ß_yund Q_x der Erddrehgeschwindigkeit Ω, bezogen auf die horizontalen Eingangsachsen χ und jdes Kreisels, nach folgenden Beziehungen zusammenhängen

20

25

30

45

50 bestimmt werden. Diese Beziehungen gehen von idealisierten Verhältnissen aus, die in der Praxis nicht gegeben sind. Insbesondere treten folgende Fehlerquellen auf:

(a) Durch Montagetoleranzen fallen die Kreisel-Eingangsachsen χ und y nicht genau mit dem gehäusefesten Bezugssystem x& ya zg zusammen, das der Signalverarbeitung zugrunde gelegt wird. Diese Fehler können durch Winkel Ky charakterisiert werden, wobei die Indizes i und j als Variable für x, y und ζ bzw. x& ya zg stehen und i eine Eingangsachse und j eine Achse des Bezugssystems repräsentiert. oc_xy ist also z. B. die Verdrehung der Eingangsachse xum die Koordinatenachse ya
Es können Beschleunigungen auf das System wirken. Diese können durch die Komponenten a_x, a_y und a_z in dem gehäusefesten Koordinatensystem xg, ya zg dargestellt werden.

(c) Es kann eine Masseunwucht, dargestellt durch einen Masseunwucht-Koeffizienten m, auftreten.

(d) Es kann Anisoelastizität, dargestellt durch einen Anisoelastizitäts-Koeffizienten n, auftreten.

(e) Es liegt eine Masseanistropie vor, da axiales und polares Trägheitsmoment des Kreiselrotors nicht gleich sind. Diese wird durch einen Masseanisotropie-Koeffizienten dargestellt:

[C-A)

35 (b)

(f) Es kann unkompensierte, feste Kreiseldrift B_x, B_y [p/h] um die *- bzw.y-Achse auftreten.

(g) Schließlich ist ein Quadratur-Koeffizient q zu berücksichtigen.

Infolge dieser Fehler mißt der Kreisel durch seine Drehmomenterzeuger statt der Gleichungen (1) und (2) die folgenden Signale:

; ~ Ky; Ω _χ ~ ItICIy B fl,

By

~ HI Ο_χ ~ (J üy

M Ο_χ

C-A H

Q_xQ

+ B_x (6)

Die Messung der Nordabweichung φ nach Gleichung (4) wird daher durch die genannten Störeinflüsse verfälscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gerät der eingangs definierten Art die Verfälschung der Messung durch Störeinflüsse wenigstens teilweise zu unterbinden.

Gemäß einer Lösung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Nordabweichungsrechner einen Speieher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180° um eine horizontale (yo) Achse verdrehbar ist, daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

1 T = T⁽¹⁾ — T⁽²⁾

^{y y} ^y

-7^= T_x ⁽¹⁾ + T_x ^a)

eingerichtet ist, wobei

20

25

Jj

j> (i) _ "*■* ^x

T_x ^{ ' =

^a)

Mß) und MJd die gespeicherten bzw. die nach der 180° -Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind,

M^ und Mp) die gespeicherten bzw. die nach der 180°-Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und

H der Drehimpuls des Kreisels ist, und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur BiI-dung eines Signals

= arc tan

,JT

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

Nach der 180°-Drehung um die yc-Achse werden folgende Signale an den Drehmomenterzeugern gemessen

^{2)

may- qa_x C-A
——

Q_zQ_y

= — T_y ^{2) = — Q_x + x_xz Q_y + <x_xyQ_z 4- ma_x — qa_y + η a_x a, +

C-A

Q_ZQ_X + B_X (8)

Durch Bildung der Differenz bzw. der Summe der beiden beiden Winkelstellungen erhaltenen Signale erhält man

(9) IT, = T/> + Γ/» = 2Q_y -2ma_y + 2B_y ■ (10)

J Ty = Γ/' - T_y ^m = -2Q_x + 2oc_xyQ_z + 2m a_x

Es ergibt sich also, daß bei der Bestimmung der ehern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführ-Nordabweichung φ der größte Teil der störenden 45 ten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern ßffk hl d k i di Sil dh i Sllhi 1°

Meßeffekte ausgeschaltet
Gleichung (4)

werden kann, wenn in

*K_Ty*	*U_y*	- ersetzt	wird	durch	1 2	1	Λ	T
H		- ersetzt	wird	durch	2	*Σ T_x*
Ktx	*U_x*
H

50

Bei einem Gerät, bei welchem das Gehäuse des Kreisels durch einen Stellmechanismus um 90° um eine der Eingangsachsen des Kreisels verdrehbar ist, so daß der Kreisel als Kursreferenzgerät verwendbar ist, kann der gleiche Stellmechanismus zur wahlweisen Verdrehung des Gehäuses des Keisels um 180° eingerichtet sein. Dadurch erfordert die 180°*Verdrehbarkeit des Gehäuses nur einen geringen zusätzlichen Aufwand. Eine andere Lösung, die insbesondere in den Fällen anwendbar ist, wo die feste Kreiseldrift '(By) den dominierenden Störeinfluß bringt, besteht darin, daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Spei-

dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist, daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

60

65 DT₁ =

- Γ«³'

55 DTy

— τ*³' —

eingerichtet ist, wobei

T_y ⁽¹⁾ =

_M ₍₁₎
²

030126/415

die gespeicherten bzw. die nach der 180°-Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind, ■ die gespeicherten bzw. die nach der 180° -Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und
der Drehimpuls des Kreisels ist, und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals

Ψ = arc tan

D 71

-DT

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

Schließlich ist es auch möglich, daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist, daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser letzteren Signale und Rückdrehen in die Ausgangsstellung durch einen Stellmechanismus um 180° um eine horizontale Eingangsachse eingerichtet ist, daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

■"■» ¹Xe — ¹X ¹X

Λ T = T_v ^a) -

eingerichtet ist, wobei

40

das Signal ist, welches nach Verschwenken des Kreisels um die besagte eine Eingangsachse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die andere Eingangsachse wirkt,

TJ?) das Signal ist, welches nach dem Verschwenken des Kreisels um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte andere Eingangsachse wirkt, _ so

das Signal ist, welches vor dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eingangsachse wirkt und

das Signal ist, welches nach dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eingangsachse wirkt, und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur BiI- eo dung eines Signals

= arc tan

Σ T„

- Λ T_y

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

Durch diese letztere Lösung läßt sich eine sehr weitgehende Kompensation der Störeinflüsse erreichen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines Kreisels zur Bestimmung der Nordrichtung;

F i g. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung der verschwenkbaren Halterung des Kreiselgehäuses sowie der Steuerung und Signalverarbeitung;

F i g. 3 zeigt die Anordnung des Kreiselgehäuses und der zugehörigen Koordinatenachsen in seiner ersten Stellung für die Bestimmung der Nordrichtung;

Fig.4 zeigt das Kreiselgehäuse in der zweiten um 180° verschwenkten Stellung für die Bestimmung der Nordrichtung;

F i g. 5 ist eine sehematische Darstellung der Signalverarbeitung;

F i g. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Verdrehung des Kreisels um eine vertikale Achse erfolgt, in der Ausgangsstellung;

F i g. 7 zeigt die Ausführungsform nach F i g. 6 nach der Verdrehung des Kreisels um 180° um die vertikale Achse;

Fig. 8 ist eine sehematische Darstellung der Signalverarbeitung, ähnlich F i g. 5, für die Ausführungsform nach F ig. 6 und 7;

Fig.9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung die zugehörige Signalverarbeitung.

In F i g. 1 ist mit 20 das Gehäuse eines Kreisels bezeichnet, dessen Drallachse ζ vertikal angeordnet ist. Der Kreiseldrall ist mit //bezeichnet. Das Gehäuse 20 ist um eine mit ^bezeichnete erste Eingangsachse, die zu der Drallachse ζ senkrecht ist, in einem inneren Kardanrahmen 22 gelagert. An dem Kardanrahmen 22 ist ein Abgriff 24 angebracht, welcher auf eine Auslenkung des Gehäuses 20 um die zweite Eingangsachse y anspricht. Auf der gegenüberliegenden Seite ist an dem Kardanrahmen 22 ein Drehmomenterzeuger 26 angebracht, durch den auf das Gehäuse 20 ein Drehmoment um die zweite Eingangsachse y ausübbar ist. Der innere Kardanrahmen 22 ist um die erste Eingangsachse x, die zu der zweiten Eingangsachse y senkrecht steht, in einem äußeren Kardanrahmen 28 gelagert. An dem äußeren Kardanrahmen 28 ist ein Abgriff 30 angebracht, der auf eine Auslenkung des inneren Kardanrahmens 22 gegenüber dem äußeren Kardanrahmen 28 um die erste Eingangsachse χ anspricht. Auf der gegenüberliegenden Seite ist an dem äußeren Kardanrahmen 28 ein Drehmomenterzeuger 32 angebracht, durch den auf den inneren Kardanrahmen 22 ein Drehmoment um die erste Eingangsachse χ ausübbar ist. Die Abgriffe 24 und 30 und die Drehmomenterzeuger 26 und 32 sind überkreuz miteinander verbunden, d.h., der Abgriff 24 auf der Eingangsachse y ist über einen frequenzabhängigen Verstärker 34 auf den Drehmomenterzeuger 32 auf der Eingangsachse χ geschaltet, und der Abgriff 30 auf der Eingangsachse χ ist über einen frequenzabhängigen Verstärker 36 auf den Drehmomenterzeuger 26 auf der Eingangsachse y geschaltet. Die Verstärkungsgrade der Verstärker 34 und 36 sind so hoch gewählt, daß das Kreiselgehäuse 20 und die Kardanrahmen 22 und 28 praktisch elektrisch an die in Fig. 1 dargestellten relativen Lagen gefesselt sind.

In Fig. 1 ist angenommen,daß die Drallachse //des

ü_y = — ω_Ε · cos Φ sin ψ

(12)

der zweiten Eingangsachse y wirken. Die durch die

Kreisels genau senkrecht steht. Die erste Eingangsachse χ des Kreisels, die als Referenzrichtung dient, bildet mit der geographischen Nordrichtung 38 einen Winkel φ, der hier als »Nordabweichung« bezeichnet wird und bestimmt werden soll. In die geographische Nordrichtung 38 fällt eine Komponente co£ cos Φ der Erddrehung, wobei ω ε die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung und Φ die geographische Breite ist. Von dieser Komponente wird wiederum eine Komponente

®x — ^ωε ' ^cos Φ ^cos Ψ (11)

an der ersten Eingangsachse x_G und eine Komponente Verstärker 34 und 36 verstärkten Abgriffsignale der Abgriffe 24 und 30 erzeugen solche Eingangssignale U_y bzw. U_x für die Drehmomentgeber 26 und 32, daß den durch die Winkelgeschwindigkeitskomponenten Q_x bzw. Qy hervorgerufenen Präzessionsmomenten gerade die Waage gehalten wird. Es gilt daher, bei Vernachlässigung von Störmomenten:

10

15

^Uy κ

Ty

Uy [Volt] die an dem Drehmomenterzeuger 26 anliegende Spannung,

U_x [Volt] die an dem Drehmomenterzeuger 32 anliegende Spannung,

K_Ty [p cm Volt""¹] die Konstante des Drehmomenterzeugers 26 und

K_Tx [p cm Volt"¹] die Konstante des Drehmomenterzeugers

ist. Aus diesen beiden Spannungen U_x und U_y kann daher bei bekannten Konstanten der Drehmomenterzeuger die Nordabweichung ψ bestimmt werden:

U_x _ K_Ty · ω_Ε cos Φ sin ψ U_y K_Tx ■ ω_Ε cos Φ cos y>

_ K_Ty

K-

Tx

tan ψ

woraus die oben angegebene Gleichung (4) folgt.

Der Winkel φ ist, wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, der Winkel zwischen der gerätefesten Achse χ und der Nordrichtung 38.

In Fig.2 ist mit 40 die Kreiseleinheit bezeichnet, welche den Kreisel und die Kardanrahmen ähnlich F i g. 1 enthält. Die Drallachse ζ des Kreisels 20 ist im wesentlichen vertikal. Die beiden Eingangsachsen des Kreisels 20 sind mit χ und y bezeichnet. Die Abgriffsignale der (nicht dargestellten) Abgriffe sind, wie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben, über die Verstärker 34 und 36 überkreuz auf die (nicht dargestellten) Drehmomenterzeuger geschaltet. Mit 42 ist ein fahrzeugfestes Gerätegehäuse bezeichnet. In dem Gerätegehäuse sind Koordinatenachsen xc und Yg definiert, die bei der Betriebsweise von Fig.2 im Idealfall parallel zu den Eingangsachsen χ bzw. y des Kreisels 20 liegen.

Die Kreiseleinheit 40 ist durch einen Stellmotor 44 um eine zu der Koordinatenachse yc parallele Achse 46 verschwenkbar. Auf dieser Achse 46 sitzt auch ein Winkelgeber 48. Das Ausgangssignal des Winkelgebers 48 ist über einen Umschalter 50 und ein Nachlauf- eo Steuersystem 52 auf den Stellmotor 44 auf schaltbar. Der Stellmotor 44 wird in der in Fig.2 dargestellten »0° «-Stellung des Umschalters 50 so gesteuert, daß die Kreiseleinheit 40 in die in F i g. 2 und 3 dargestellte Lage geschwenkt und dort arretiert wird. In dieser Lage sind die Koordinatenachsen x, y, ζ des der Kreiseleinheit zugeordneten Koordinatensystems parallel zu den Koordinatenachsen x& ya zg des Koordinatensystems, das dem Gerätegehäuse 42 zugeordnet ist. In der gestrichelt dargestellten »180° «-Stellung des Umschalters 50 wird die Kreiseleinheit 40 durch den Stellmotor 44 um 180° in die in Fig.4 dargestellte Lage verschwenkt. In dieser Lage ist die Koordinatenachse ζ nach oben gerichtet, also antiparallel zu der Koordinatenachse zg des auf das Gerätegehäuse 42 bezogenen Koordinatensystems. Die Koordinatenachse χ ist nach vorn in Fig.4 gerichtet, also ebenfalls antiparallel zu der Koordinatenachse xg des auf das Gerätegehäuse 42 bezogenen Koordinatensystems.

In der »90° «-Stellung des Umschalters 50 wird die Kreiseleinheit um 90° verschwenkt und ist dann, wie im Hauptpatent beschrieben, als Kurs-Referenzgerät oder Kurs-Lage-Referenzgerät verwendbar. Es kann der gleiche Winkelgeber 48 und Stellmotor 44, der bei der Anordnung nach dem Hauptpatent für diese letztere Umschaltung benutzt wird, auch für die 180°-Verschwenkung ausgenutzt werden.

Die Ausgangssignale U_x und U_y der Verstärker 34 bzw. 36 sind außerdem auf einen Nordabweichungsrechner 56 geschaltet. Der Nordabweichungsrechner ist in F i g. 5 vereinfacht und schematisch dargestellt.

In der in Fig.2 und 3 dargestellten Lage der der Kreiseleinheit 40 werden die dabei erhaltenen Ausgangssignale U_x und Uy oder die dazu proportionalen Signale Tß) und T^) in einem Speicher 58 gespeichert. Nach einer 180°-Verschwenkung der Kreiseleinheit 40 in die in F i g. 4 dargestellte Lage liegen die Signale T_xV) und TJi²) an. Es werden in den Differenz- und Summierpunkten 60 bzw. 62 die Differenz Δ T_y und die

Summe 2T_x gemäß Gleichungen (9) und (10) gebildet. Ein Quotientenbildner 64 bildet den Quotienten

Σ T_x

-AT,

der, wie oben geschildert, tan φ entspricht. Ein Arcustagens-Funktionsgenerator 66 liefert daraus den Winkel φ.

In der Praxis wird der Nordabweichungsrechner 56 als Digitalrechner ausgebildet sein.

Die beschriebene Anordnung kann auch in Verbindung mit den anderen im Hauptpatent beschriebenen Maßnahmen zur Berücksichtigung der Fahrzeuglage angewandt werden.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 und 7 ist die Kreiseleinheit 70 in dem fahrzeugfesten Gerätegehäuse 72 um eine vertikale, mit der Kreiseldrallachse ζ zusammenfallende Achse verschwenkbar gelagert. Die Winkellage der Kreiseleinheit 70 um die Achse ζ wird mittels eines Winkelgebers 74 abgegriffen. Das Ausgangssignal des Winkelgebers 74 ist über einen Umschalter 76 auf ein Nachlauf-Steuersystem 78 geschaltet. Durch das Nachlauf-Steuersystem 78 wird ein Stellmotor 80, der um die Achse ζ wirkt, gesteuert. Durch den Stellmotor 80 wird die Kreiseleinheit 70 je

•τ(D —

nach der Stellung des Umschalters 76 in vorgegebene feste Stellungen relativ zu dem Gerätegehäuse 72 eingedreht. In der in Fig.6 dargestellten »Grundstellung« verläuft die erste Eingangsachse χ des Kreisels nach hinten in der Figur und die zweite Eingangsachse y nach rechts. Die andere Stellung der Kreiseleinheit 70, die nach einer 180° -Verdrehung um die Achse ζ erreicht wird, ist in F i g. 7 dargestellt. In dieser Stellung ist die erste Eingangsachse χ des Kreisels nach vorn in der

to Figur und die zweite Eingangsachse nach links gerichtet. Wie bei dem anderen Ausführungsbeispiel enthält die Kreiseleinheit 70 eine Kreiselanordnung nach Art von F i g. 1, und entsprechende Teile sind in F i g. 6 und 7 mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie dort Die Stützmomente, die auf den Kreisel durch den um die x-Achse wirkenden Drehmomenterzeuger infolge der Signale von den Abgriff auf der y-Achse ausgeübt werden, sind in der Grundstellung von F i g. 6 mit Mp) bezeichnet. Die Stützmomente, die auf den Kreisel durch die um die y-Achse wirkenden Drehmomenterzeuger infolge der Signale von dem Abgriff auf der x-Achse ausgeübt werden, sind in der Grundstellung von Fig.6 mit MyV) bezeichnet. In der gegen diese Grundstellung um 180° verdrehten Stellung sind die entsprechenden Stützmomente MJ?) bzw. M₃P). Die Abgriffe und Drehmomenterzeuger liefern Signale

Die Signale 7^⁽¹⁾ und T_y ^(l) ergeben sich aus Gleichung (5) und (6). Die nach der 180°-Verdrehung erhaltenen Signale sind

= - Qy

M üy ~ C-A

By

= — Q_x — <x_xzQy - oi_X

ma_x + qa_y — na_xa_z — - C-A H

Q_z Q_x + B_x

Die Differenzen der Signale bei der Grundstellung von F i g. 6 und bei der um 180° verdrehten Stellung von F i g. 7 werden

DT_x=

Q_x-mciy C-A

Ω_ζ

DTy =

YU Ο._χ ~

Es zeigt sich, daß in diesen Signalen die unkompensierten Kreiseldriften B_x und B_y nicht enthalten sind. Diese umkompensierten Kreiseldriften sind aber bei vielen Kreiseln die wesentlichen Fehlerursachen, die stärker ins Gewicht fallen als alle anderen Fehlerursachen zusammen. Bei solchen Kreiseln ist die Anordnung nach Fig.6 und 7 der Anordnung nach Fig.3 und 4 vorzuziehen, für die ja die Gleichungen (9) und (10) gelten.

Der zu den Anordnungen nach Fig.6 und 7 gehörende Nordabweichungsrechner ist in Fig.8 dargestellt.

Der Nordabweichungsrechner 82 enthält einen Speicher 84, auf welchen in der Grundstellung von F i g. 6 die von den Drehmomenterzeugern gelieferten Signale T^¹) und TJi¹) gespeichert werden. Nach der 180°-Verdrehung werden auf den Nordabweichungsrechner 82 die Signale T^³) und TyP) geschaltet. Diese Π Ο_χ

C-A H

Signale werden an Summationsstellen 86 bzw. 88 den gespeicherten Signalen Tß) bzw. T/¹) mit entgegengesetzter Polarität überlagert, so daß die Signale DT_x und DTy gebildet werden. Dividiermittel 90 bilden den Quotienten

DT_x

Dieser Quotient wird auf einen Arcustangens-Funktionsgeber 92 gegeben, welcher den Nordabweichungswinkel

Ψ = arc tan

-DT,

liefert. DT_x und DT_y enthalten die Nutzsignale Q_y bzw. —Ω_χ und die verschiedenen Sensorfehler. Abgesehen

von diesen Sensorfehlern stimmt Gleichung (20) mit Gleichung (4) überein. Die Kreiseldriften B_x und B_y sind jedoch eliminiert.

Eine weitere Ausgestaltung, bei welcher eine Kreiseleinheit 94 aus der Grundstellung entsprechend Fig.6 sowohl um eine vertikale Achse, die in der Grundstellung mit der Kreiseldrallachse ζ zusammenfällt, als auch um eine horizontale Achse, die mit der zweiten Eingangsachse (y-Achse) zusammenfällt, um jeweils 180° verschwenkbar ist, ist in Fig.9 und 10 dargestellt.

Die Kreiseleinheit 94 ist um eine mit der zweiten Eingangsachse (y-Achse) des Kreisels zusammenfallende horizontale Achse drehbar in einem Zwischengehäuse 96 gelagert. Ein Winkelgeber 98 sitzt auf dieser horizontalen Achse und liefert ein Signal nach Maßgabe der Winkellage der Kreiseleinheit 94 relativ zu dem Zwischengehäuse 96. Dieses Signal wird über einen Umschalter 100 auf ein Nachlauf-Steuersystem 102 gegeben. Von diesem Nachlauf-Steuersystem 102 ist ein Stellmotor 104 gesteuert, welcher die Kreiseleinheit 94 je nach der Stellung des Umschalters 100 in die dargestellte Grundstellung oder in eine dazu um 180° um die horizontale Achse verdrehte Lage (identisch F i g. 4) eindreht.

Das Zwischengehäuse 96 ist seinerseits mit einer Welle 106 um eine vertikale, in der dargestellten Grundstellung mit der Kreiseldrallachse ζ zusammenfallende Achse gegenüber einem fahrzeugfesten Gerätegehäuse 108 verdrehbar gelagert. Auf der Welle 106 sitzt ein Winkelgeber HO und ein Stellmotor 112. Der Winkelgeber 110 liefert ein Signal nach Maßgabe der Winkellage des Zwischengehäuses 96 relativ zu dem fahrzeugfesten Gerätegehäuse 108. Dieses Signal ist über einen Umschalter 114 auf ein Nachlauf-Steuersystem 116 geschaltet. Der Stellmotor 112 ist von dem Nachlauf-Steuersystem 116 so gesteuert, daß er das Zwischengehäuse 96 je nach der Stellung des Umschalters 114 in die dargestellte Grundstellung oder in eine dazu um 180° um die vertikale Achse verdrehte Lage eindreht. In dieser letzteren Lage ist die Orientierung der Kreiseleinheit identisch wie in F i g. 7.

Der Nordabweichungsrechner 118 in Fig. 10 enthält einen ersten Speicher 120, einen zweiten Speicher 122 und einen dritten Speicher 124. In dem ersten Speicher 120 werden in der Grundstellung von Fig.9 zunächst die Signale Tp) und TJi¹) der Drehmomenterzeuger gespeichert, wie sie sich nach Gleichung (5) und (6) ergeben. (Der tiefgestellte Index »1« weist auf die erste Messung dieser Signale hin.) Danach wird das Zwischengehäuse 96 mittels des Stellmotors 112 um 180° um die vertikale Achse verdreht. Die dann erhaltenen Signale Tp) und Tp-) an den Drehmomenterzeugern werden in dem Speicher 124 gespeichert. Das Zwischengehäuse 96 wird wieder in die Grundstellung zurückgedreht. Die Signale T^¹) und TJ,^¹) der Drehmomenterzeuger in dieser Grundstellung werden erneut abgegriffen und in dem Speicher 122 gespeichert. Danach wird die Kreiseleinheit 94 durch den Stellmotor 104 um die waagerechte Achse um 180° verdreht. Die in dieser Stellung von den Drehmomenterzeugern erhaltenen Signale Tp) und Tp) entsprechend Gleichung (7) und (8) werden ebenfalls dem Nordabweichungsrechner 118 zugeführt, wie bei 126,128 angedeutet ist.

Ein Mittelwertbildner 130 bildet aus den in den Speichern 120 und 122 gespeicherten Signalen die Mittelwerte

τ'¹' — — (T

¹X — 2 *■ ^xl

und

T_x2 ^a)) (21)

An einer Summationsstelle 132 wird die Differenz

gebildet (siehe auch Gleichung (9)). An eine weiteren Summationsstelle 134 erfolgt die Bildung der Differenz

ET_XC = = 2 (Q_y — m ■ a_y — Xy_x · Q₂)

Die beiden Differenzsignale ΔT_y und 2T_XC werden Divisionsmitteln 136 zugeführt, welche den Quotienten Kreiseldriften im wesentlichen proportional sind. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Aus den Gleichungen (5) und (16) folgt:

ST_x =

bilden. Dieser Quotient beaufschlagt einen Arcustangens-Funktionsgeber 138, welcher das Nordabweichungssignal

ΣΤ _Ψ = arc tan (25)

J Iy

bildet.

Es kann zu Selbstprüfzwecken an einer Summationsstelle 140 die Summe

ST_x = f_x ⁽¹⁾ + Γ/> (26)

und an einer Summationsstelle 142 die Summe

STy = - (f_y ⁽¹⁾ + Ty™) (27)

gebildet werden, welche, wie sich zeigen läßt, den und

= 2(_XyxQ₂ + B_y) (28)

Bei vernachlässigbaren Verdrehungen Xy_x bzw. «.^ der Kreiseleingangsachsen gegen die Gehäuseachsen, was durch entsprechende Präzision der Fertigung erreichbar ist, gilt mit guter Näherung:

= SX

wobei ß_xvtnd ^Schätzwerte für B_xbzw. B_ysind. Es kann daher der Ausdruck 2T_x aus Gleichung (10), der in die Gleichung für die Nordabweichung eingeht, hinsichtlich

030 126/415

17 18

der Kreiseldrift B_y nach Bestimmung von ST_x korrigiert Weiterhin ist, wie oben schon angegeben,

werden. Der so korrigierte Ausdruck Σ T_xc ergibt sich zu ι τ — τ(ΐ> τ¹»)— τη_ι_τ η ι

ET„ = ZT_x - 2B_S = T/' + Τ/» - 2ß_y (32)

(9) 5 unabhängig von B_x. Bei Vernachlässigung der Stör-

terme ist
und, wenn man 2B₃, aus Gleichung (30) einsetzt: „„ _o

= tan ψ

- J T_y

'T_xc — T_x + T_x T_x T_x-T_x T_x _{I0 wo}bei dieser Ausdruck hinsichtlich der Kreiseldriften B_x

,??·. und Bykompensiert ist.

*· ' Die Umschaltung 50, 76, 100 und 114 und die

Aus den Gleichungen (7) und (16) ergibt sich dann: Aufschaltung der Signale auf die verschiedenen

Speicher und Eingänge werden in der richtigen 15 Reihenfolge von einer (nicht dargestellten) Programm- ZTxc = 2Qy — 2m a.y — 2tXy_X-Ω, (34) Steuereinheit gesteuert.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels,

bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist, bei welchem die Lage des Kreisels durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmomenterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind, durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird,
bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind, bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist und

bei welchem schließlich die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungsrechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Nordabweichungsrechner (56) einen Speieher (58) zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern (26, 32) zugeführten Signale TJ^X\ Tp) enthält,

daß der Kreisel (40) nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus (44, 48) um 180° um eine horizontale Achse (46) verdrehbar ist, daß die dann den Drehmomenterzeugern (26, 32) zugeführten Signale TJ²), Tp) auf den Nordabweichungsrechner (56) geschaltet sind, daß der Nordabweichungsrechner (56) zur Bildung von Signalen

ι τ- _ T¹U) _ T-12)

ΣΤ_χ : eingerichtet T/' = T/' = T/> =
T-(2) _ = Tj" + T_x ^{2) ist, wobei M/>
H ⁼ ~~H~ M/> H

50

55

60

Mp) und Mp) die gespeicherten bzw. die nach der «5 180° -Drehung auf den Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind, der um die eine Achse wirkt,

Mp) und Mp) die gespeicherten bzw. die nach der 180°-Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und

H der Drehimpuls des Kreisels ist, und

daß der Nordabweichungsrechner (56) weiterhin zur Bildung eines Signals

= arc tan

Σ T_x

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei welchem das Gehäuse des Kreisels durch einen Stellmechanismus um 90° um eine der Eingangsachsen des Kreisels verdrehbar ist, so daß der Kreisel als Kursreferenzgerät verwendbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der gleiche Stellmechanismus (44, 48) zur wahlweisen Verdrehung des Gehäuses (40) des Kreisels (20) um 180° eingerichtet ist.

3. Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels,

bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist,
bei welchem die Lage des Kreisels durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines- Drehmomenterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind, durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird,
bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind,
bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist und

bei welchem schließlich die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungsrechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefert,
nach Patentanmeldung P 27 41 274.4-52,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Nordabweichungsrechner (82) einen Speicher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält,
daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale (TP\ Tp)) durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist,
daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale (Tp), TJ?)) auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind,

daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

DT_y

T-O) _ T-(I) ¹V ¹S

ORIGINAL INSPECTED

eingerichtet ist, wobei

T (D

Γ/»

U)

Ψ = arc tan

DT_r

10

15

Mp) und Mp) die gespeicherten bzw. die nach der 180°-Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind,

H der Drehimpuls des Kreisels ist, und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals

30

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

4. Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels,

bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist, bei welchem die Lage des Kreisels durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmomenterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind, durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird,

bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageatgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind, bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist und

bei welchem schließlich die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungsrechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefert, nach Patent P 27 41 274.4-52, dadurch gekennzeichnet,

daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden Drehmomenterzeugern zugeführtenSignale (TP\ Tp) enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale (Tpy, Tp)) durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist,

daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale (Tp), Tp)) enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser letzteren Signale (Tp), Tp)) zum Rückdrehen in die Ausgangsstellung durch einen Stellmechanismus um 180° um eine horizontale Eingangsachse (y) eingerichtet ist,

daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale (Tp), Tp)) auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind,

daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

Y¹T _ Τ¹ (2)
" ¹XC ~ ¹X

ι γ — T¹U) _

I ^ly Iy

eingerichtet ist, wobei

Tp) das Signal ist, welches nach Verschwenken des Kreisels um die besagte eine Eingangsachse y dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die andere Eingangsachse wirkt,

TP> das Signal ist, welches nach dem Verschwenken des Kreisels um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte andere Eingangsachse wirkt, das Signal ist, welches in der Grundstellung vor dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eingangsachse wirkt und

Tp) das Signal ist, welches nach dem Verschwenken um die horizontale Achse (y) dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eingangsachse wirkt, und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals

= arc tan

- ¹XC

I ψ

¹ ¹V

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

ST_x = T_x ^il) + T/'

ST_y = -

- T/³'

eingerichtet ist, die den Komponenten der Kreiseldrift entsprechen, wobei

das Signal ist, welches in der Grundstellung vor dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte andere Eingangsachse wirkt, und

das Signal ist, welches nach dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eingangsachse wirkt.

6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch wobei gekennzeichnet,

daß der Nordabweichungsrechner einen weiteren Speicher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern nach dem Rückdrehen des Kreisels um die vertikale Achse in die Ausgangsstellung zugeführten Signale (T_x ß\ T_y2W) enthält und
daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung der Mittelwerte

5 M, das Drehmoment ist, das an dem um die jf-Achse wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt,
y das Drehmoment, das an dem um die y-Achse

wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt, und
H der Drehimpuls des Kreisels ist.