DE3873760T2 - Stabilisierter richtspiegel. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Stabilisierung eines schwenkbar gelagerten, bzw. kardanisch aufgehängten Richtspiegels und insbesondere auf ein vereinfachtes und präzises System dafür.
• Es ist wichtig, einen Richtspiegel gegenüber einer Drehbewegung der Unterlage in bezug auf eine Trägheitsreferenz, wie z. B. ein Sichtfeld, zu stabilisieren, besonders wenn der Richtspiegel auf einem sich bewegenden Fahrzeug montiert ist. Die Bewegungen, die dem Fahrzeug zuteil werden, werden auf den Spiegel durch Drehungen um eine oder jede der x-, y- und z- oder der i-, j- und k-Achsen übertragen.
• Frühere Entwürfe von stabilisierten Richtspiegeln verwendeten zwei integrierende Ein-Freiheitsgrad-Wendekreisel, die an einer separaten schwenkbar gelagerten Trägheitsreferenz befestigt wurden. Obwohl diese früheren Entwürfe bezüglich der Stabilisisierung des Spiegels funktionierten, erforderten sie eine relativ große Anzahl an mechanischen Teilen, die beides sowohl die Komplexität als auch die Kosten des Richtspiegelsystems erhöhten. Zusätzlich nahm mit der Anzahl der elektrischen und mechanischen Teile auch die Möglichkeit der Fehler zu und die Richtgenauigkeit nahm demzufolge ab.
• Diese früheren, bzw. herkömmlichen Systeme sind in "The Infrared Handbook" der Herausgeber Wolfe und Zissis an Beispielen erläutert und von dem "Infrared Information and Analysis (IRIA) Center, Environmental Research Institute of Michigan for the Office of Naval Research, Department of the Navy, Washington, D.C.", erste Ausgabe 1978, überarbeitete Ausgabe 1985, in dem Kapitel 22, überschrieben mit "Tracking Systems" auf den Seiten 22-1 und folgende, insbesondere auf den Seiten 22-9 und 22-10, abgefaßt. Dabei ist der Richtspiegel mechanisch über Riemen und Bänder an einem abgeglichenen Trägheitsbandantrieb und an einer kreiselstabilisierten Referenz befestigt. Wenn der abgeglichene Trägheitsbandantrieb und/oder die kreiselstabilisierte Referenz sich im abgeglichenen Zustand befinden, so befindet sich auch der Spiegel im abgeglichenen Zustand. Diese Anordnung ist allerdings mechanisch und elektronisch komplex und benötigt einen zusätzlichen Aufbau, der die Erzielung einer Regelung mit großer Bandbreite oder das Schließen der elektromechanischen Regelschleife, von dem Spiegel zu der Elektronik und zurück zu dem Spiegel, verhindert. Bekanntlich sind die Frequenzen, die bearbeitet bzw. gedämpft werden umso größer je größer die Bandbreite ist. Wie jedoch vorstehend schon beschrieben, wird es mit zunehmender Komplexität der mechanischen Teile immer schwieriger ein Regelschleife stabil zu schließen. Dieses Problem fällt vorrangig bei mechanischen Systemen auf, die eine unzureichende strukturelle Integrität, d. h. die Fähigkeit auf Eingangsanforderungen zu antworten, besitzen, was ein stabiles Schließen der Regelschleife beeinträchtigt und zu Oszillationen des Spiegels führt.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, vermeidet diese und andere Probleme, indem zwei dynamisch abstimmbare Zwei-Freiheitsgrad-Kreisel verwendet werden. Die Kreisel sind an dem Spiegel und seinem unterstützenden, bzw. halternden Aufbau in einer solchen Weise sicher befestigt, daß ausgewählte Drehwinkel des Spiegels erfaßt werden können, die durch Störungen verursacht werden, welche das Fahrzeug, auf dem der Spiegel sicher befestigt ist, erfährt.
• In der bevorzugten Ausgestaltung wird ein bestimmter Satz von Drehwinkelwerten, bzw. Drehwinkelgeschwindigkeiten gegenüber all den anderen Werten, bzw. Geschwindigkeiten ausgewählt. Die ausgewählten Winkelgeschwindigkeiten enthalten vier Vektoren, nämlich, den Vektor der die Höhenausrichtung bzw. die Anhebung des Spiegels mißt, den Vektor, der in einem Winkel zu der Spiegelnormalen orientiert ist, den Vektor, der die Höhenausrichtung bzw. die Anhebung des Azimutkardanrahmens mißt und den Vektor, der den Azimutkardanrahmen selbst, d. h. dessen Drehstellung mißt. Es ist festgestellt worden, daß der bevorzugte Winkel des Vektors, der in einem Winkel zur Spiegelnormalen orientiert ist, 45º Grad beträgt. Diese vier Vektoren werden dann verwendet, um die Vektoren der Trägheitsgeschwindigkeiten der Winkelbewegung des Spiegels um jeweils dessen Sichtlinien-Nickachse und dessen Sichtlinien-Gierachse zu berechnen. Diese letzten beiden Vektoren werden zu Null aufaddiert und stellen somit den Punkt, bzw. den Zustand dar, in dem die Sichtlinie stabil ist. Die Auswahl der oben erwähnten vier Vektoren vereinfacht die Berechnungen der Aufaddition der letztgenannten beiden Vektoren zu Null. Durch Vereinfachen der Gleichungen können das elektronische und damit auch das mechanische System vereinfacht werden, wodurch die Genauigkeit erhöht wird.
• Mehrere Ziele und Vorteile erwachsen hieraus. In erster Linie ist der erfindungsgemäße Aufbau des stabilisierten Richtspiegels im Vergleich zu den herkömmlichen Gestaltungen einfach. Die anzusetzenden Herstellungskosten sind gegenüber den bekannten Kosten anderer bestehender stabilisierender Richtspiegel beträchtlich reduziert. Indem die herkömmliche Verwendung von zwei integrierenden Ein-Freiheitsgrad-Wendekreiseln, welche an einer separaten, schwenkbar gelagerten bzw. kardanisch aufgehängten Trägheitsreferenz befestigt sind, entfällt und statt dessen das erfindungsgemäße Paar von dynamisch abstimmbaren Zwei-Freiheitsgrad-Kreiseln zum Einsatz kommt, wird eine beträchtliche Verringerung der Anzahl an mechanischen Teilen erreicht. Zusätzlich zu der Kostenverringerung erhöht die verringerte Zahl an mechanischen Teilen die Genauigkeit.
• Andere Ziele und Vorteile sowie ein größeres Verständnis der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Erläuterung einer beispielhaften Ausgestaltung und den begleitenden Zeichnungen davon hervorgehen.
Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1a und 1b veranschaulichen schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung und zeigen einen Richtspiegel, der von einem als Sockel dargestellten Fahrzeug gehalten ist, sowie ein Blockdiagram des Systems, welches den Spiegel und somit dessen Sichtlinie gegenüber drei-dimensionalen Drehstörungen, die auf den Spiegel ausgeübt werden, stabilisiert;
• Fig. 2 ist eine graphische Ansicht des Spiegels gemäß Fig. 1 und zeigt die Drehwinkelvektoren um die Höhenwinkel- bzw. Höhenachse, um die Seitenwinkel- bzw. Seitenachse und um die Sichtlinie.
• Fig. 3a und 3b stellen graphische (symbolische) Darstellungen der mathematischen Berechnungen der Verarbeitung von Vektorgrößen dar, die aus den Winkelgeschwindigkeitssignalen hergeleitet werden und
• Fig. 4 ist eine graphische (symbolische) Darstellung der mathematischen Berechnungen, die verwendet wird, um den Spiegel und seine Sichtlinie zu stabilisieren.
Beschreibung einer bevorzugten Ausgestaltung
• In Fig. 1a ist ein Fahrzeug 10, wie z. B. ein Kampfwagen, als rechteckiges Parallelepiped dargestellt. Wenn das Fahrzeug sich bewegt, unterliegt es drei-dimensionalen Störungen, die entlang der drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen i, j, und k auftretend gezeigt und durch die Winkelgeschwindigkeitsvektoren ωi, ωj, und ωk gekennzeichnet werden.
• Ein Richtspiegel 12, der eine Sichtlinie 13 (siehe ebenso Fig. 2) aufweist, ist auf einem Fahrzeug 10 über eine Säule 14 montiert, auf der eine Trägergabel bzw. eine Trägerkonsole 16 sicher befestigt wird. Der Winkel der Sichtlinie 13 wird von der Linie 17 aus, die senkrecht auf dem Spiegel steht, bestimmt, bzw. er schließt mit dieser Linie einen Winkel ein. Der Spiegel 12 ist auf der Trägerkonsole 16 über die Welle 18 montiert. Wie mit den Doppelpfeilen 19 und 20 veranschaulicht, ist der Spiegel in bezug auf die Trägerkonsole 16 über die Welle 18 und die Trägerkonsole 16 in bezug auf die Säule 14 winkelmäßig beweglich. Weil die Welle 18 in bezug auf die Säule 14 senkrecht angeordnet ist, besitzt der Spiegel 12 in bezug auf das Fahrzeug 10 zwei zueinander orthogonale Rotationsfreiheitsgrade. Diese beiden Rotationsfreiheitsgrade sind in der Höhenausricht- bzw. Höhenachse 22, die durch die Welle 18 verläuft, und in der Seitenausricht- bzw. Azimut- oder Seitenachse 24, die durch die Säule 14 verläuft, zentriert. Der betreffende Funktions-Drehmelder/Drehmomentgeber für den Seitenwinkel 23 bzw. für den Höhenwinkel 25 ist an die Welle 18 bzw. Säule 14 angeschlossen.
• Wie am deutlichsten in Fig. 2 gezeigt, werden die Drehstörungen, die auf das Fahrzeug 10 einwirken und durch die Winkelgeschwindigkeitsvektoren ωi, ωj, und ωk angedeutet sind, über die Säule 14 und die Trägerkonsole 16 auf den Spiegel 12 übertragen und verursachen eine Instabilität der Sichtlinie 13. Diese Instabilität kann als Winkelbewegung um die rechtwinkligen Achsen r, e, bzw. d, d. h. um die Rollachse, die Nickachse bzw. die Gierachse dargestellt werden. Die Winkelbewegungen um diese Achsen werden durch die Winkelgeschwindigkeitsvektoren ωr, ωe und ωd dargestellt. Die Werte dieser Vektoren können am einfachsten durch eine Analyse der Störungen um die Höhenachse 22 und um die Seitenachse 24 erhalten werden. Insbesondere können die Drehstörungen um jede dieser Achsen durch die Winkelgeschwindigkeitsvektoren ω&sub2;*, ω3' und ω&sub4;* für die Höhenachse 22 und durch die Winkelgeschwindigkeitsvektoren ω&sub1;, ω&sub2; und ω&sub3; für die Seitenachse 24 dargestellt werden. Somit können die auf das Fahrzeug 10 einwirkenden Eingangsstörungen durch seine Winkelgeschwindigkeitsvektoren ωi, ωj und ωk mit ausgesuchten Winkelgeschwindigkeitsvektoren, die aus den Werten ω&sub2;*, ω3', ω&sub4;*, ω&sub1;, ω&sub2; und ω&sub3; ausgewählt werden, korreliert werden. Wie später ausgeführt wird, ist es lediglich nötig, vier der letztgenannten sechs Vektoren zu verwenden, wodurch die nötigen Berechnungen für das Erhalten der Werte von ωd und ωe und für das auf Null bringen dieser Werte vereinfacht werden.
• Um die verschiedenen Werte der Winkelgeschwindigkeitsvektoren des Spiegels 12 zu erhalten, ist ein Paar von Zwei- Freiheitsgrad-Kreiseln 26, bzw. 28 vorgesehen, die an dem Spiegel 12, bzw. an der Trägerkonsole 16 angebracht sind. Vorzugsweise werden diese Kreisel von dynamisch-abstimmbaren Kreiseln herkömmlicher Bauart gebildet. Sie werden auch manchmal "dry-tuned"-Kreisel genannt. Der Kreisel 26 ist so an dem Spiegel 12 befestigt, daß er die Drehstörungen um die Höhenachse 22 nachweist, wenn er sich um seine Höhenkardanachse bewegt. Der Kreisel 26 wird somit manchmal auch als Höhen-Kardanachsen-Kreisel bezeichnet. Der Kreisel 28 ist mit der Trägerkonsole 16 in einer solchen Weise befestigt, daß er die Drehstörungen um die Azimut- bzw. Seitenachse 24 erfassen kann und demzufolge wird er manchmal als ein Azimut-Kardanachsen-Kreisel bezeichnet. Für die vorliegende Erfindung ist es lediglich nötig, vier Drehstörungen zu ermitteln- nämlich die mit R&sub2; und R&sub3; gekennzeichneten Drehstörungen, die vom Azimut-Kardanachsen-Kreisel erfaßt werden, und die mit R&sub2;* und R&sub4;* gekennzeichneten Drehstörungen, welche vom Höhen-Kardanachsen-Kreisel 26 erfaßt werden, nachzuweisen.
• Wie in Fig. 1b gezeigt, werden diese vier Drehstörungen in einem Mikroprozessor 30 durch interne elektronische Einrichtungen 32, die einen Analog zu Digital (A/D)-Umwandler 34, ein über Kreuz-gekoppeltes Netzwerk 36 und ein Sperrfilter 38 aufweist, der die Eingangswinkelstörungen verarbeitet, um die Winkelgeschwindigkeitsvektoren ω&sub4;*, ω&sub2;*, ω&sub2; und ω&sub3; zu liefern, konvertiert. Sowohl der Mikroprozessor 30 als auch die elektronischen Einrichtungen 32 und ebenso alle anderen Komponenten des Mikroprozessors sind herkömmlich aufgebaut. Der bevorzugte Mikroprozessor weist einen "Single-chip"-Mikroprozessor auf, der für die digitale Signalverarbeitung und andere Anwendungen der numerischen Hochgeschwindigkeitsdatenverarbeitung optimiert ist. Er faßt die Rechnereinheiten, einen datenaddressierten Generator und eine Ablauffolge-Steuervorrichtung bzw. einen Programsequenzer, in einem einzigen Gerät zusammen. Solch ein Mikroprozessor 30 kann von "Analog Devices" in Norwood, Massachusetts, der einen DSP Mikroprozessor Model ADSP-2100 aufweist, welcher in der "Analog Devices"-Produktbroschüre C1064-21-4/87 beschrieben ist, bezogen werden. Eine Kopie dieser Broschüre befindet sich in den Akten der vorliegenden Anmeldung. Obwohl hier nur ein bevorzugter und passender Mikroprozessor beschrieben wird, soll doch verständlich gemacht werden, daß jeder andere äquivalente Mikroprozessor oder jede andere elektronische Einrichtung ebenfalls nutzbringend in ähnlicher Weise eingesetzt werden kann.
• Der Ausgang der elektronischen Einrichtungen 32 in Form von Drehwinkelgeschwindigkeitsvektoren wird auf eine Vektoradditions- und Vektormultiplikationseinheit 40 gegeben und dort mit dem Höhenausrichtwinkel εm des Spiegels 12, der von dem Höhenwinkel-Funktionsdrehmelder 25 erhalten wird, kombiniert. Die Einheit 40 produziert ein Ausgangspaar, bestehend aus einem Azimut- bzw. Seitenwinkelfehler ωd und einem Höhenwinkelfehler ωe, wobei die Ausgänge den jeweiligen elektronischen Verstärkungs- und Ausgleichseinheiten 42 bzw. 44 zugeführt werden. Diese Fehlersignale können jeweils einem Befehls- oder Steuereinheit 46, 48 für den Seitenwinkelwert bzw. den Höhenwinkelwert modifiziert werden. Die Einheiten 46 und 48 sind von einer herkömmlichen Bauart und werden allgemein durch ein "Joystick" gesteuert.
• Die auf die Verstärkungs- und Ausgleichseinrichtungen gegebenen Signale werden dann in analoge Signale mit Digital zu Analog (D/A)-Umwandler 50 und 52 konvertiert. Diese analogen Signale werden dann Leistungsverstärkern 54 und 56 herkömmlicher Bauart zugeführt und zwar in Form von Befehlen für die entsprechenden Funktions-Drehmomentgeber der Azimut- und der Höhen-Kardanachse. Die verstärkten Signale setzen dann ihren Weg zu einer Seitenwinkelstabilisierungsschleife 58 und zu einer Höhenwinkelstabilisierungsschleife 60 fort, die jeweils am Azimut-Funktionsdrehmelder/-Drehmomentgeber 25 bzw. am Höhenwinkel-Funktionsdrehmelder/-Drehmomentgeber 23 anliegen.
• Eine Rückkopplung der Geschwindigkeitsvektoren ω&sub4;* und ω&sub2;* erfolgt auch vom Ausgang der elektronischen Einheiten 32 zu einem Kreisel-Drehmomentgeber-Verstärker 58, der Signale über eine Kreiselgehäuseschleife 60 zurück zum Kreisel 26 liefert. Auf ähnliche Weise werden die Signale der Vektorausgänge ω&sub2; und ω&sub3; dem Kreisel-Drehmomentgeber-Verstärker 62 zugeführt, dessen Signale über eine Kreiselgehäuseschleife 64 zum Kreisel 28 übertragen werden.
• Die Verarbeitung der verschiedenen Vektorgrößen kann unter Bezug auf die Fig. 3a und 3b verstanden werden. Die Fig. 3a und 3b stellen graphisch die Verarbeitung der Vektorgrößen dar und werden teilweise unter Heranziehung von Piogrammen (Vgl. "Algebra of Piograms or Orthogonal Transformations Made Easy" von Richard L. Pio, Hughes Aircraft Company Report No. M78-170, Copyright 1978, 1981, und 1985) erläutert. Ferner kann auf "Euler Angle Transformations" von Richard L. Pio, "IEEE Transactions on Automatic Control, Volume AC-11", Nr. 4, Seiten 707-715, Oktober 1966 verwiesen werden. Ein Piogram ist demnach eine symbolische Darstellung von Koordinatentransformationen. In Fig. 4 werden die durch die Vektoren ωi und ωj bezeichneten Drehstörungen in die Vektorgrößen ω&sub1; und ω&sub2; durch eine η-Transformationsprozeß umgewandelt, welcher durch den Seitenwinkel des Spiegels 12 hervorgerufen wird und der im Piogram 66 montiert ist. Eine ähnliche Transformation tritt, wie im Piogram 68 zu sehen ist, durch den Höhenwinkel -εm des Spiegels 12 auf. Diese beiden Transformationen treten kinematisch auf. Die Linien 68 stellen ebenso kinematische Pfade dar. Die Ausgangssignale werden dem Mikroprozessor 30 zugeführt, der für den Zweck der Klarheit in der Zeichnung in zwei Blöcke 30(1) und 30(2) in Fig. 4 aufgeteilt wurde. Die elektronische Verarbeitung der verschiedenen Vektorgrößen wird gemäß den folgenden Gleichungen berechnet:
• (1) ωe = 2ω&sub2;* - ω&sub2;, und
• (2) ωd = ω&sub3; + (2 sin εm)(ω&sub4;*)
• Wie die Darstellung zeigt, wird die Gleichung (1) innerhalb des Abschnitts des Mikroprozessors 30 verarbeitet, der als Teil 30(1) gekennzeichnet ist, während Gleichung (2) innerhalb des Abschnitts 30(2) verarbeitet wird. Der mathematische Ausdruck innerhalb der jeweiligen Einrahmungen 70 stellt die Verstärkung mit Kompensation bzw. Ausgleich innerhalb der betreffenden Schleifen dar. Die Indizes 58 und 60 markieren die Stabilisierungsschleifen des Seitenwinkels und des Höhenwinkels, wie sie auch in Fig. 1a und 1b gezeigt sind. Wenn die Verarbeitung derart erfolgt, daß die jeweiligen Vektorgrößen ωe und ωd beide zu Null werden, so wird die Sichtlinie 13 stabil.
• Die Transformation 64 veranschaulicht, wie die Rollwinkelgeschwindigkeiten bzw. -werte ωi und die Nickwinkelgeschwindigkeiten bzw. -werte ωj durch eine η-Transformation aufgelöst, bzw. umgewandelt werden, um die Vektorgröße ω&sub1;, welche die Trägheitsgeschwindigkeit des Azimutkardanrahmens um die Rollachse wiedergibt, und um ω&sub2;, die die Trägheitsgeschwindigkeit des Azimutkardanrahmens um die Nickachse wiedergibt, zu erhalten. Auf ähnliche Weise werden die Geschwindigkeitsvektoren ω&sub1; und ω&sub3; über die -εm-Transformation aufgelöst, bzw. umgewandelt, um ω&sub4;*, die den Trägheitswert der Winkelbewegung bzw. die Trägheitsgeschwindigkeiten der Winkelbewegung des Spiegels 12 um eine Achse mit einem Winkel von 45º zu der Spiegelnormalen wiedergibt, und um einen anderen Ausgang zu erhalten, der bei der vorliegenden Erfindung nicht verwendet wird.
• Genauer definieren Fig. 1 und Fig. 2 die zur Erklärung der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung erforderlichen Koordinatensysteme. Herauszuheben ist, daß die Sensor- Sichtlinie 13 immer fixiert ist, während durch Lenken bzw. Steuern des Spiegels 12, entweder um die Seitenwinkelachse 24 oder um die Höhenwinkelachse 22, die Sichtlinie 13 des Spiegels ausgerichtet wird.
• Die Definition der Koordinatensysteme für die verschiedenen Ausdrücke von Fig. 1 und 2 ist wie folgt:
• ωi, ωj, ωk = Trägheitsgeschwindigkeiten der Unterlage um die Rollachse i, um die Nickachse j und um die Gierachse k,
• ω&sub1;, ω&sub2;, ω&sub3; = Trägheitswerte bzw. Trägheitsgeschwindigkeiten des Azimutkardanrahmens um die Rollachse ω&sub1;, um die Nickachse ω&sub2; und um die Gierachse ω&sub3;,
• ω&sub1;*, ω&sub2;*, ω3' = Trägheitswerte bzw. Trägheitsgeschwindigkeiten des Spiegels um eine Achse (13), die um 45º zur Spiegelnormalen geneigt ist, um die Höhenwinkelachse (22) und um eine auf den erstgenannten Achsen senkrechte Achse (24),
• ω&sub4;*, ω&sub2;*, ω&sub3;* = Trägheitswerte bzw. Trägheitsgeschwindigkeiten des Spiegels um die Spiegelnormale (17), um die Spiegel-Höhenachse und um eine Achse, die senkrecht auf den beiden erstgenannten Achsen steht.
• ωr, ωe, ωd = Trägheitswerte bzw. Trägheitsgeschwindigkeiten um die Rollachse, um die Nickachse und um die Gierachse der Sichtlinie, und
• η, εm = Drehwinkel um die Seitenachse und um die Höhenachse
• Die geometrischen Beziehungen zwischen den oben definierten Trägheitswerten bzw. Trägheitsgeschwindigkeiten sind mit Hilfe der in den Fig. 3a und 3b dargestellten Piogrammen veranschaulicht.
• Um die Sichtlinie 13 zu stabilisieren, müssen die Trägheitswerte bzw. Trägheitsgeschwindigkeiten ωe und ωd für jede Eingangsgeschwindigkeit der Basis- oder Unterlagenbewegung ωi, ωj oder ωk zu Null werden.
• Die Herleitung und Durchführung der Höhenwinkelstabilisation wird zuerst diskutiert, gefolgt von der für die Azimut- bzw. Seitenwinkelstabilisation.
• Aus den Fig. 3a und 3b ergeben sich die folgenden beiden Gleichungen:
• (3) 2 m = ωe - ω&sub2;
• (4) m = ω&sub2;* - ω&sub2;
• Für die Höhenwinkelstabilisation ωe 0 wird Gleichung (3) zu:
• (5) 0 = 2 m + ω&sub2;
• Die Gleichung (4) kann umgeschrieben werden als
• (4) ω&sub2;* = m + ω&sub2; und
• durch Multiplikation der Gleichung (4) mit einem Faktor zwei und Substraktion von Gleichung (5) ergibt sich:
• (5) 0 = 2 m + ω&sub2;
• (4) -2ω&sub2;* = -2 m - 2ω&sub2;
• -2ω&sub2;* = -ω&sub2;
• oder
• (6) 2ω&sub2;* - ω&sub2; = 0
• Die Gleichung (6) erfordert eine Messung der Trägheitsgeschwindigkeit bzw. des Trägheitswertes (ω&sub2;*) der Spiegelanhebung und der Trägheitsgeschwindigkeit bzw. des Trägheitswertes (02) der Anhebung des Azimutkardanrahmens. Diese Messungen werden durch jeweils eine Achse der beiden dynamisch-abstimmbaren Kreisel geliefert. Wie oben erwähnt, ist ein Kreisel an der Höhen-Kardanachse oder an der Spiegelachse angebracht und der andere Kreisel ist an dem Azimut- Kardanrahmen befestigt. Die Orientierung der verbleibenden beiden Achsen jedes dynamisch-abstimmbaren Kreisels wird hinsichtlich des Erreichens der Seitenwinkelstabilisation festgesetzt.
• Ein einfaches Servo- bzw. Regelkreis-Blockdiagram für die Höhenwinkelstabilisation ist ebenfalls in Fig. 4 zu sehen.
• In dieser Ausführung ist ω&sub2;* servogetrieben und muß immer gleich die Hälfte von ω&sub2; sein, damit die Beziehung, um ωe = 0 zu machen, erfüllt ist.
• Hinsichtlich der Seitenwinkelstabilisierung kann die Seitenwinkelstabilisierungsgeschwindigkeit nicht mehr direkt mit einem Trägheitskreisel gemessen werden, da in der Ausführung keine Referenz-Kardan-Aufhängung existiert; eine einfache Verwirklichung indes ist die Messung der Trägheitsgeschwindigkeit des Azimutkardanrahmens um den Azimut bzw. Seitenwinkel und die Messung der Trägheitsgeschwindigkeit ω&sub4;*, die eine spiegelfeste Geschwindigkeit darstellt, welche jedoch um 450 zur Spiegelnormalen gedreht ist.
• Aus Fig. 3a und 3b können die folgenden Gleichungen geschrieben werden:
• (7) ωd = ω&sub3; cos 2εm + ω&sub1; sin 2εm
• (8) ω&sub4;* = ω&sub1; cos εm - ω&sub3; sin εm
• Gleichung (8) nach ω&sub1; aufgelöst, ergibt
• Wird Gleichung (9) in Gleichung (7) eingesetzt, ergibt sich:
• Es kann gezeigt werden, daß
• cos 2εm + sin 2εm tan εm 1 und
• deshalb ist,
• (10) ωd = ω&sub3; + 2ω&sub4;* sin εm
• Der Winkelgeschwindigkeitsvektor 03 ist servogetrieben, um immer gleich -2ω&sub4;*·sinεm zu sein, welches die Gleichung (10) erfüllt und ωd = 0 macht. Der Winkelgeschwindigkeitsvektor ω&sub3; wird über die andere zur Verfügung stehende Achse des Kreisels 28 hergeleitet, der an dem Azimutkardanrahmen befestigt ist. Der Winkelgeschwindigkeitsvektor ω&sub4;* wird über die andere zur Verfügung stehende Achse des Höhenkreisels 26 hergeleitet, der an dem Spiegel befestigt ist.
• Demzufolge läßt sich der stabilisierte Spiegel mit zwei dynamisch-abstimmbaren Kreiseln verwirklichen, von denen der eine an dem Spiegel und der andere an dem Azimutkardanrahmen befestigt ist. Das Gabelgelenk des Azimutkardanrahmens und der Spiegel können leichtgewichtig hergestellt werden, um die Abmessungen und die Größe des Drehmomenterzeugers oder -gebers und der Lager für den Antrieb des kardanisch aufgehängten Spiegels zu minimieren. Dies hat einen direkten Einfluß auf die Produktionskosten der Ausführungsform.

Claims (6)

1. Ein Richtspiegel (12), der eine Sichtlinie (13) aufweist und bezüglich seiner Höhenachse (22) und Seitenachse (24) kardanisch aufgehängt ist, und ein an den Spiegel gekoppeltes System, um den Spiegel und daher seine Sichtlinie gegenüber dreidimensionalen Rotationsstörungen, die auf den Spiegel ausgeübt werden, zu stabilisieren, beinhaltend:

ein erster Zwei-Freiheitsgrad-Kreisel (26), der am Spiegel befestigt ist und auf der Höhenachse plaziert ist, wobei der erste Zwei-Freiheitsgrad-Kreisel an eine elektronische Anordnung (32) gekoppelt ist, um Trägheitswerte (ω&sub4;*, ω&sub2;*) der Winkelbewegung des Spiegels in Bezug auf eine Achse, die zu einer Linie senkrecht zum Spiegel einen Winkel aufweist, und in Bezug auf die Höhenachse zu liefern;

einen zweiten ZweiFreiheitsgrad-Kreisel (28), der am Spiegel befestigt ist und auf der Seitenachse plaziert ist, wobei der zweite Zwei-Freiheitsgrad-Kreisel an die elektronische Anordnung (32) gekoppelt ist, um Trägheitswerte (ω&sub2;, ω&sub3;) der Winkelbewegung des Spiegels in Bezug auf seine Nick- und Gierachse zu liefern;

eine Anordnung (30) zur Verarbeitung von Trägheitswerten (ωe, ωd) der Winkelbewegung des Spiegels in Bezug auf seine Sichtlinien-Nickachse und Sichtlinien- Gierachse, ausgehend von den Trägheitswerten (ω&sub4;*, ω&sub2;*, ω&sub2;, ω&sub3;); und

eine Anordnung (40) zum Aufsummieren der Trägheitswerte (ωe, ωd) auf Null und daher zur Bewegung des Spiegels (12) um seine Höhenachse (22) und Seitenachse (24), um seine Sichtlinie zu stabilisieren.

2. Richtspiegel und System zur Stabilisierung seiner Sichtlinie nach Anspruch 1, wobei der erste (26) und der zweite (28) Kreisel jeweils einen dynamisch abgestimmten Zwei-Freiheitsgrad-Kreisel beinhalten.

3. Richtspiegel (12) und System zur Stabilisierung seiner Sichtlinie (13) nach Anspruch 1, wobei die Winkelachse, die in Verbindung mit dem Trägheitswert (ω&sub4;*) und mit dem ersten Zwei-Freiheitsgrad-Kreisel steht, einen Winkel von 45º zur Normalen aufweist.

4. Richtspiegel (12) und System zur Stabilisierung seiner Sichtlinie (13) nach Anspruch 3, wobei die Verarbeitungsanordnung (30) die Trägheitswerte über folgende Gleichungen mathematisch korreliert:

ωe = 2ω&sub2;* - ω&sub2;, und

ωd = ω&sub3; + (2 sin εm) (ω&sub4;*),

wobei εm den Rotationswinkel um die Höhenachse des Spiegels darstellt.

5. Richtspiegel (12) und System zur Stabilisierung seiner Sichtlinie (13) nach Anspruch 4, die des weiteren eine Anordnung (46, 48) beinhaltet, um die Bewegung des Spiegels um seine Höhen- und Seitenachse zu befehlen.

6. Richtspiegel (12) und System zur Stabilisierung seiner Sichtlinie (13) nach Anspruch 5, wobei die Bewegungsanordnung (46, 48) Drehmomentantriebe (23, 25) beinhaltet, die am System befestigt und mit dem Spiegel (12) gekoppelt sind, um die Winkelbewegung des Spiegels um seine Höhenachse (22) und Seitenachse (24) zu bewerkstelligen.