SE467378B - Troeghetsstabiliseringssystem foer ett instrument - Google Patents

Description

467 578 10 15 20 25 30 35 2 En av dessa lösningar för stabilisering är den som föreslås i US 2.688.456. Denna lösning har tyvärr stora nackdelar, bland vilka kan nämnas känslighet för lagerfriktion och glapp. Ba- lanseringen av den kardanlagrade delen måste utföras extremt noggrant, men ändå uppnås aldrig goda egenskaper.

Därför har lösningar tagits fram där ett gyro fästs till den kardanlagrade delen för att öka stabiliteten. Nackdelar här är relativt hög effektåtgång för att driva gyrorotorn, lång tid för gyrorotorn att nå användbar hastighet (15-60 sekunder för några kommersiellt sålda instrument) och väsentligt ökad vikt, beroende på att gyrot och batterierna i praktiken måste vara relativt tunga. För att möjliggöra panorering (målfölj- ning) krävs precesseringsmekanik vilken kan dra avsevärd för- lusteffekt när panorering sker.

Dessutom finns problem med nutationssvängningar när gyrot fästes stelt till den kardanlagrade delen. För att lösa dessa nutationsproblem kan en fjäder- och viskös koppling användas mellan gyrot och den kardanlagrade delen, vilket ökar komplex- itet, vikt och volym. Exempel på denna teknik ger US 3.564. 931, där f.ö. nutationsproblemet belyses närmare.

En tredje möjlig princip för att erhålla bästa stabilitet är att ej mekaniskt koppla gyrot till den stabiliserade delen, utan istället avkänna gyrots läge medelst elektronik så att signaler alstras som sedan används för att via små elektro- mekaniska kraftgivare påverka den kardanlagrade delen till stabilitet. Fördelen med denna lösning borde bl.a. vara att gyrot ska kunna utföras mycket mindre med minskad allmän vikt och volym som resultat, men framgångarna i praktiken verkar hittills ha varit måttliga; i få, om något av de handhållna bildstabiliserade instrument som för närvarande finns på K marknaden, används denna princip. Problement med att få ned starttid, vikt, effektförbrukning och komplexitet tycks inte E ha blivit tillfredsställande lösta, varför de potentiella fördelarna inte verkar ha rättfärdigat val av detta koncept. 10 15 20 25 30 35 467 578 3 Sammanfattande beskrivning av uppfinningen Föreliggande uppfinning är en exponent av denna tredje kate- gori. En ultralätt rotor i ett oscillogyro dimensioneras i en föredragen uföringsform till att, med avseende pà sitt vinkelläge i rummet, uppföra sig som den kardanlagrade optik- delen i bildstabiliserad kikare ska göra, och denna kardan- lagrade optikdel bringas sedan medelst ett enkelt elektrome- kaniskt styrsystem att behålla samma vinkelläge i rummet som rotorn har.

Unika fördelar i praktiken med ett stabiliseringssystem ut- fört enligt föreliggande uppfinning är bl.a: Starttiden är så snabb, ca 1/10 sekund, att den kardanlagrade optikdelen meka- niskt kan frikopplas samtidigt som oscillogyrot startas, vil- ket eliminerar de ofta oacceptabla väntetiderna pà 15-60 s, relaterade ovan. Effektutvecklingen är så låg att en mycket liten drivmotor och små batterier kan användas, vilket mins- kar vikt och volym hos det kompletta bildstabíliserade instrumentet. Ingen precesseringsmekanik erfordras och vidare existerar inga nutationsproblem. Inga tunga, komplicerade eller voluminösa komponenter ingår och tillverkning kan ske utan tidsödande justeringar. Avkänning av rotorns läge kan i en föredragen utföringsform av uppfinningen ske optoelektro- niskt med enkla nolldetektorer, vilket eliminerar krav på god linjäritet hos avkännarna.

Figgrbeskrivníng Uppfinningen kommer nedan främst att beskrivas i samband med en föredragen utföringsform, varvid fig 1 visar den övergri- pande mekaniken för ett styrsystem enligt uppfinningen, fig 2a och 2b visar startcentreríngsmekanik för rotorn, fig 3 visar stötskydd av oscillogyrot, fig 4 visar gyrot i vy från sidan där det har vridits en vinkeltx , fig Sa visar ett blockschema över elektroniken, fig 5b visar tillhörande spän- ningsdiagram, fig 6 visar en ändvy av oscillogyrot, fig 7 vi- sar en alternativ avkänning av rotorn, fig 8 visar tillhöran- 467 578 10 15 20 25 30 35 4 de blockschema, fíg 9 visar bl.a. en alternativ gyrorotor och ett alternativt rotorhus, fíg 10 visar en kurva över rotorns stegsvar och fíg 11 visar slutligen en ändvy av rotor 1.

Beskrivning av en utföringsform Den allmänna funktionen beskrivs först mycket kort i samband med fíg 1. Motor 5, motoraxel 4, bladfjäder 3, torsionstråd 2 och rotor 1 utgör (med ett litet senare beskrivet undantag) ett i stort sett konventionellt oscillogyro. För principbe- skrivning av ett oscillogyro hänvisas till The Journal of Mechanical Engineering Science 1967, vol. 9, nr 1, sid 55-61 av R Whalley, M.J. Holgate och L Maunder, "The oscillogyro".

Den kardanlagrade optikdelen 19 är visad som en cylinder i figur 1, men det måste förstås att optikdel 19 motsvarar den stabiliserade delen i ett bildstabiliserat instrument. Hur denna del ser ut, och vilken optik den uppbär, är ej viktigt för föreliggande uppfinning. Varje helt stabiliserad optik- del i ett bildstabiliserat instrument definierar en optisk siktlinje, vilken återfinns i figur 1 som linje 35.

Motor 5 är fäst till instrumentets hölje (ej visat) och föl- jer således med i höljets rörelser. Inne i oscillogyrots hus 6 finns en rotor 1 som roterar i ett plan som på kort tids- basis är tröghetsstabiliserat och därför är isolerat från högre frekvenser av instrumenthöljets vridrörelser omkring alla axlar ortogonala mot motoraxel 4. Den kardanlagrade op- tikdelen 19 är via kardanlager 20 rörlig i förhållande till instrumenthöljet en liten vinkel, ca +-5 grader omkring kar- danaxlarna 55 och 56, och därmed omkring alla axlar ortogo- nala mot instrumentets optiska siktlinje 35. Kardanlager 20 tillåter dock inte rotation av del 19 relativt instrumenthöl- jet omkring siktlinje 35. När instrumentet ej används, är det ~ lämpligt att den kardanlagrade optikdelen 19 är mekaniskt låst till instrumenthöljet i ett läge där den optiska sikt- linjen 35 är parallell med motoraxel 4. Detta läge är visat i figur 1. I drift är optikdel 19 frikopplad, och låst via ett 10 15 20 25 30 35 467 378 5 elektromekanískt reglersystem till det vinkelläge i inertial- rymden som rotationsplanet för rotor 1 har, och är därför liksom detta, på kort tidsbasis tröghetsstabiliserad. Den stabiliserade optikdelen 19 bör för övrigt vara statiskt balanserad på sina lager.

När instrumenthöljet vrides sakta, vilket sker vid panorering eller màlföljning, följer rotorns rotationsplan pga förhanden- varande oscillogyros speciella egenskaper med i denna vrid- ning, med viss eftersläpning. Eftersom den kardanlagrade op- tikdelen 19 via reglersystemet är låst mot vinkelläget hos rotorns rotationsplan, följer också optikdel 19 med i höljets vridrörelse, vilket ger málföljningsmöjlighet.

Rotor 1 har formen av en balk 15 med en längd av storleksord- ning 40 mm. På denna rotorbalk är två st tunna plattor 8 och 9 fästa. Rotor 1 är fäst till den tunna torsionstràden 2, som i sin tur är fäst på och hålles sträckt av den böjda bladfjä- dern 3. Fjäder 3 är pà sin mittpunkt fäst till motoraxel 4.

Hus 6 som innehåller alla roterande delar, är fäst till motor- axel 4. Rotor 1 behöver i praktiken ej ha större tröghetsmo- ment än 1.10'7 kgmz, mätt omkring den axel som torsionstràd 2 utgör.

En praktisk detalj är att den kraft som bladfjäder 3 spänner tråd 2 med, måste vara så stor att resonansvinkelfrekvensen med avseende pá translation för rotor 1 i ett plan ortogonalt mot tråd 2, är större än den vinkelfrekvens som motoraxel 4 roterar med.

Eftersom rotor 1 är fäst till torsionstrád 2, är det tydligt att rotor 1 endast kan vippa fram och tillbaka omkring den axel som tråd 2 utgör, sedd relativt hus 6. När oscillogyrot är i funktion roterar motoraxel 4 och därmed hus 6, bladfjä- der 3, torsionstràd 2 och rotor 1 med konstant varvtal, och rotor 1 roterar då i ett plan som praktiskt taget behåller sin vinkelorientering i inertialrymden även om motor 5 sväng- es en liten vinkel omkring en axel ortogonal mot motoraxel 4. 467 578 6 I princip uppför sig det plan som rotor 1 beskriver, på kort tidsbasis som en fri gyrorotor. Mycket små avvikelser från det helt tröghetsstabiliserade läget finns, men kan i prak- tiken försummas, vilket sker hädanefter. Även om funktionen 5 hos en avstämd oscillogyro (som ovan är beskriven) är väl känd, ska här nämnas att trädens 2 centrerande torsionsmoment vid rotation neutraliseras av små dynamiska decentrerande reaktionsmoment som alstras i rotor 1, omkring den axel som tråd 2 utgör. Dessa decentrerande reaktionsmoment ökar med 10 kvadraten på varvtalet, medan det centrerande torsionsmomen- tet alstrat av tråd 2 självfallet inte är varvtalsberoende.

Av detta följer att vid ett visst varvtal (det avstämda) är det decentrerande reaktionsmomentet lika stort som det centrerande torsionsmomentet från tråd 2, varvid de två 15 momenten neutraliserar varandra, och rotor 1 kan_då rotera fri från påverkan av oönskat nettomoment. Därför är det viktigt i praktiken att varvtalet för motor 5 hålles konstant och lika med det avstämda varvtalet. 20 Hus 6 omsluter alla gyrodelar, vilket är önskvärt eftersom den omgivande luften annars skulle påverka den ultralätta rotorns 1 stabilitet negativt genom den turbulens som skulle ha uppstått. Det är uppenbart att den omgivande luften om- kring rotor 1 inne i hus 6 medroterar och inte är störande 25 turbulent, tack vare hus 6. Hus 6 bör dock inte vara helt tätt; ett litet hål 7 ombesörjer att tryckskillnad utanför och innanför hus 6 inte kan uppstå och deformera hus 6. Detta hål bör placeras som visat i fig l, i eller nära längsaxeln för drivaxel 4, vilket inte orsakar luftturbulens inne i 30 hus 6.

Det är också önskvärt att hus 6 inte adderar för mycket trög- hetsmoment till de roterande delarna, vilket skulle öka mo- torns 5 starttid onödigt mycket. Ett lågt tröghetsmoment för 35 hus 6 uppnås om tunn plast används.

Referens sker nu till fig 4. Eftersom det plan som rotor 1 roterar i (hädanefter benämnt rotorns rotationsplan, och in- 10 l5 20 25 30 35 7 467 578 dikerat streckat med RP i figur 4) på kort tidsbasis uppför sig som en fri gyrorotor, bibehåller det sitt vinkelläge i rummet ögonblicket efter det att motor 5 har vridits en liten vinkel ofiomkring en axel, ortogonal mot motoraxel 4. I fig 4 är rotorbalk 15 visad just i det tidsögonblick när den befin- ner sig i papperets plan. Vinkelmx mellan rotorns rotations- plan och ett tänkt plan P1, ortogonalt mot motoraxel 4, be- nämnas hädanefter rotationsplanets vinkelavvikelse.

Det kan alltså konstateras att rotorns rotationsplan RP är väsentligen tröghetsstabiliserat på kort tidsbasis.

På lång tidsbasis ska rotorns rotationsplan enligt uppfin- ningen däremot ej vara tröghetsstabiliserat, utan från de- centrerat läge sakta vandra tillbaks till det mot motoraxel 4 vinkelräta centralläget. Detta uppnås pà så sätt att motor 5 fästs till instrumenthöljet, samtidigt som rotor 1 dimension- eras med mycket lågt tröghetsmoment, mätt omkring den axel som tråd 2 definierar. Om plattorna 8 och 9 samtidigt ges lämplig yta, storleksordning 1 kvadratcentimeter vardera, kommer den viskösa koppling mellan rotor l och hus 6 som luften inne i hus 6 ger, att inverka tillräckligt mycket för att åstadkomma den önskade centreringen av rotorns rotations- plan. Med andra ord, om instrumenthöljet och därmed motor 5 i förhållande till inertialrymden plötsligt har vridits en liten vinkel~P omkring en axel ortogonal mot motorns rota- tionsaxel 4, (t=0 i fig 10) och sedan bibehåller sitt nya läge, precesserar rotorns rotationsplan RP sakta tillbaks till det mot motoraxel 4 vínkelräta centralläget med en vin- kelhastighet som i varje tidsögonblick är proportionell mot rotationsplanets vinkelavvikelse sa. Med andra ord, vinkel- avvikelsencx går då exponentiellt mot noll vilket illustreras av fig 10.

Den ovan beskrivna precesseringen tillbaks till centralläget kan utnyttjas för möjlighet till màlföljning. Detta är en stor fördel eftersom centreringen sker spontant; speciella precesseringsanordningar är eliminerade. Detta utgör en före- 4:» o\ -a 10 15 20 25 30 35 378 8 dragen utföringsform av föreliggande uppfinning. Om konstruk- tionsparametrarna väljs så att tidskonstanten för centrering- en hos rotorns rotationsplan blir ca 1 sekund, kommer rotorns rotationsplan med avseende på sitt vinkelläge i rummet att uppföra sig pa ett sätt som också är mycket lämpligt för den kardanlagrade optikdelen i en bildstabiliserad kikare. Om kikarens hölje vrides med viss begränsad vinkelhastighet, kommer rotorns rotationsplan att med viss eftersläpning med- följa i denna vridning, dvs màlföljning sker.

Ett syfte med föreliggande uppfinning och oftast nödvändigt, är att i praktiken möjliggöra en större vinkelavvikelse oc, minst 5 grader, för rotorns rotationsplan än vad som är möj- ligt med konventionell oscillogyromekanik. Hos en bildstabi- liserad kikare kan i praktiken förekomma snabba svängningar av höljet relativt inertialrymden på åtminstone +-5 grader, och eftersom motor 5 är ostabiliserad och således följer med i höljets svängningar, men rotorns rotationsplan är tröghets- stabiliserat och därför isolerat från snabba svängningar, måste också rotorns rotationsplan RP relativt de ostabilise- rade delarna (t.ex. motor 5) kunna anta en vinkelavvikelsecx på minst samma vinkel. Detta krav på att rotorns rotations- plan RP med bibehållen stabilitet ska kunna anta en vinkelav- vikelsecx på minst ca 5 grader kräver att speciella atgärder vidtas. Om inte, inverkar följande fenomen menligt på stabi- liteten: eftersom rotor 1 och motoraxel 4 när vinkelavvikelse otfinns inte roterar i samma plan, men är sammankopplade via träd 2, introduceras ett litet störmoment till rotor 1, vil- ket tenderar att förstöra stabiliteten, när rotationsplanets vinkelavvikelse överstiger bara nägra grader. Detta störmo- ment kan sägas orsakas av att rotor l då tvingas att rotera med något ojämn vinkelhastighet i sitt rotationsplan sett över ett varv, beroende på nämnda vinkelskillnad. Störmomen- tet ifràga ökar proportionellt mot kuben på vinkelavvikelsen ud varför det ej till skillnad mot trädens 2 centrerande moment kan kompenseras genom avstämning av motorvarvtalet.

Eftersom vinkelavvikelsen för rotorns rotationsplan i prak- 'll 10 15 20 25 30 35 467 378 9 tiken ofta behöver uppgå till minst 5 grader, måste detta problem elimineras.

Detta går enligt uppfinningen till på så sätt att en vinkel- eftergivlighet införs mellan tråd 2 och rotor 1. Denna vin- keleftergivlighet möjliggör små (i praktiken << 1 grad) vin- kelrörelser hos rotor 1 relativt tråd 2 (och därmed också re- lativt motoraxel 4) i rotorns rotationsplan, och därmed all- tid jämn vinkelhastighet hos rotor 1 i sitt rotationsplan.

Det enklaste sättet att i praktiken införa denna vinkelefter- givlighet är att göra avståndet L (visat i fig 11, där avstånd L inte ska ses som ett mått på bredden på rotorbalk 15), mel- lan trädens (2) fästpunkter på båda sidor om rotorbalk 15 tillräckligt litet, eftersom tråd 2 hålles sträckt med kon- stant men begränsad kraft av bladfjäder 3. Det är uppenbart att ju mindre avstånd L är, desto mindre styv är rotorns in- fästning relativt tråd 2, med avseende på små vinkelrörelser för rotor 1 i sitt rotationsplan. Även någon annan likvärdig typ av flexkoppling mellan tråd 2 och rotor 1 kan självfallet införas; det viktiga är att de små inbördes vinkelrörelserna mellan tråd 2 och rotor 1 i rotorns rotationsplan, tillåts uppstå i drift.

Denna vinkeleftergivlighet ger upphov till ett nytt problem, vilket bäst kan förstås om hus 6 och därmed rotor 1 med flera delar först betraktas stillastående, utan rotation. Eftersom rotor 1 nu inte är stelt, utan fjädrande infäst med avseende på små vinkelrörelser i ett plan ortogonalt mot motoraxel 4, uppstår en vinkelresonanstendens-fhför rotor 1 i detta plan. (t) Vinkelfrekvensen för resonansen ifråga kan skrivas:J1;¥Eiš;:\ där K(t) är ett mått på vinkeleftergivligheten beskriven ovan och I är rotorns tröghetsmoment mätt omkring motoraxel 4. Om nu uppförandet vid rotation betraktas, visar det sig att det uppstår ett mekaniskt interferensfenomen, om Jï-överensstäm- mer med rotationsvinkelfrekvensen.I1(m) hos motoraxel 4. 467 10 15 20 25 30 35 378 10 Detta problem bortfaller om Jï.(m) aldrig uppnår;fL. För bra resultat i praktiken kan [JL-.fL(m)]=63 rad/s väljas.

Ytterligare ett problem uppkommer, varför referens nu åter- igen sker till fig 1. För att undvika att rotor 1 pga vinkel- eftergivligheten viker sig för mycket tvärs tråd 2 vid start av gyrot, då vinkelaccelerationen hos motoraxel 4 är mycket hög, krävs ett stopp i form av en stel stång 10, fäst till hus 6. När motoraxel 4 och därmed alla roterande delar har uppnått fullt varvtal i den krökta pilens riktning upphör vinkelaccelerationen och rotor 1 går då fri från stång 10, eftersom stäng 10 är placerad så att den normalt ej kontaktar rotor 1.

En praktisk detalj är att rotor 1 bör vara låst till central- läget, dvs 90 graders vinkel relativt motoraxel 4 innan motor 5 startas, och frikopplas för möjlighet att vippa omkring träd 2 först när viss rotationshastighet har uppnåtts. Om ej detta krav är uppfyllt kan i praktiken en avsevärd vinkelav- vikelse hos rotorns rotationsplan finnas omedelbart efter start, vilket oftast ej är önskvärt. Referens sker nu till fig 2a och 2b, där en möjlig mekanik för rotorlåsning innan start, visas. Läsbygel 16 är vridbart lagrad i fundament 17 och kan vippa en liten vinkel relativt fundament 17. Funda- ment 17 är stelt förbundet med motoraxel 4. Spiralfjäder 18 trycker låsbygel 16 mot rotorbalk 15 (visat i fig 2a) när motor 5 ej är igång. Lásbygel 16 är så utförd att den dä kon- taktar rotorbalk 15 på var sin sida om tråd 2, varvid rotor 1 är låst i centrerat läge och förhindrad att vippa omkring träd 2. När motor 5 har nått visst men inte fullt varvtal efter start, påverkas lásbygel 16 via vikterna 16a och 16b av centrifugalkraften att vippa bort från det i fig 2a visade läget och stanna i det i fig 2b visade läget, där rotor 1 är fri att vippa omkring tråd 2.

Referens sker nu till fig 3 där stötskydd i form.av mjuka stopp 11, 12, 13 och 14 visas. Stopp 11-14 är fästa till hus 6. Dessa stopp begränsar vipprörelsen hos rotorbalk 15 j) 10 15 20 25 30 35 467 378 11 omkring tråd 2 på ett mjukt sätt när kikaren panoreras så snabbt att luftens viskösa koppling mellan rotor 1 och hus 6 inte räcker till för att precessera rotor 1. Stopp ll-14 upp- tar också rotor 1 vid chockacceleration i riktning parallellt med motoraxel 4, vilken kan uppstå om instrumentet t.ex. tap- pas. Om chockaccelerationen inträffar parallellt med rotor- balk 15 måste också stopp finnas eftersom tråd 2 har ganska stor eftergivlighet också i denna riktning. Dessa stopp kan t.ex. utgöras av insidan av hus 6, som ändarna på rotorbalk 15 kan kontakta. För chockacceleration parallellt med träd 2 behövs inga stopp eftersom bladfjäder 3 och tråd 2 kan dimen- sioneras tillräckligt starka för att uppta kraften. Dessa knep ombesörjer att all rotormekanik blir mycket stötsäker.

Det ska understrykas att all ovan beskriven mekanik behövs för bra resultat, men allt visas inte i en och samma figur, av tydlighetsskäl. Ännu en praktisk detalj är att motoraxel 4 omedelbart efter start bör tvingas upp i sitt rätta varvtal så fort som möj- ligt, vilket i det fall motor 5 är DC-driven, lätt kan ske genom att drivspänningen för motor 5 hàlles högre än normalt omedelbart efter start, och sedan minskas till ett konstant lägre värde när motor 5 har nått rätt varvtal.

Om ovanstående anvisningar följs, och om konstruktionspara- metrarna väljs rätt, kommer nu rotorns rotationsplan att vara stabilt på kort tidsbasis, och aperiodiskt från decentrerat läge precessera tillbaks till centralläget med en lämplig tídskonstant av storleksordning 1 sekund, precis som den sta- biliserade delen i en bildstabiliserad kikare ska göra för bra resultat.

Referens sker nu återigen till fig 1. Det enda som nu äter- stàr är att via ett reglersystem làsa vinkelläget för den kardanlagrade optikdelen 19 till vinkelläget för rotorns rotationsplan, för att erhålla önskad stabilitet för den kardanlagrade delen 19. Två reglersystem måste finnas vilka 467 10 15 20 25 30 35 378 12 reglerar den kardanlagrade delen omkring tvâ inbördes vinkel- räta axlar A1 och A2, ortogonala mot instrumentets optiska siktlinje 35, men endast ett av dessa reglersystem som arbe- tar omkring en axel A1, beskrivs här i detalj eftersom reg- lering omkring den andra axeln (A2) gär till på samma sätt.

En infraröd lysdiod 22 utsänder korta ljuspulser, storleks- ordning 100 mikrosekunder/puls, mot rotor 1 via spalt 23.

Spalt 23 är parallell med den axel (Al) som avkänningen sker omkring. Hus 6 mäste vara transparent för det infraröda lju- set, där detta passerar hussidan. Ljuspulserna reflekteras via de på rotor 1 fästa plattorna 8 och 9 (reflektion mot platta 8 visad i fig 1), vilka är folierade och således också fungerar som speglar. Efter reflektion infaller ljuset slut- ligen på den optiska nolldetektorn 24, vars baksida syns i fig 1. Ljuset som infaller pá nolldetektor 24 är begränsat av spalt 23 till att vara ett smalt band, lämpligt brett för nolldetektorn ifråga. Självfallet infaller ljuset som ett band 25 även på spegel 8. Lysdiod 22, spalt 23 och nolldetek- tor 24 är samtliga fästa på den kardanlagrade optikdelen 19.

Nollspänning ut från nolldetektor 24 kan endast förekomma när ljusband 25 är centrerat mitt på nolldetektor 24, vilket i sin tur endast kan förekomma när del 19 och rotorns rota- tionsplan RP har en viss inbördes vinkelorientering omkring axel Al. Detta är situationen när den kardanlagrade optik- delen via reglersystemet är "låst" till rotorns rotations- plan. Varje inbördes vinkelavvikelse från denna situation ger upphov till spänning ut från nolldetektor 24, vilken behand- las elektroniskt till en signal som till slut påförs den elektromekaniska kraftgivaren 26, som mekaniskt påverkar den kardanlagrade optikdelen 19 till att återta det normala “lås- ta“ läget omkring axel A1. Kraftgivare 26 är således anordnad att vrida optikdel 19 omkring axel A1.

Kraftgivare 26 kan ha valfritt utseende, men den bör inte in- troducera friktion. Ett möjligt utförande visas i fig 1, där tràdspole 27 är fäst till instrumenthöljet, och den U-formade permanentmagneten 28 är fäst till den kardanlagrade optik- 10 15 20 25 30 35 467 378 13 delen 19. En spänning in på spole 27 ger då upphov till en kraft som strävar att vrida den kardanlagrade delen 19 om- kring aktuell axel (Al).

En ljuspuls från lysdiod 22 ska utsändas endast vid den tid- punkt då hus 6 och därmed rotor 1 är i läge för indikering av inbördes vinkelläge mellan optikdel 19 och rotorns rotations- plan RP, omkring aktuell axel (A1). Detta inträffar endast två gånger per varv, nämligen när tråd 2 är parallell med den axel (A1) som reglersystemet arbetar omkring. I praktiken ska således en ljuspuls utsändas när tråd 2 är parallell med den axel kraftgivare 26 kan vrida optikdel 19 omkring.

Det räcker med att utsända en ljuspuls endast en gång per varv även om två ljuspulser per varv rekommenderas, men ljus- pulsen ska utsändas endast när rotor 1 är i läge, enligt ovanstående regel. För att detta ska möjliggöras i praktiken måste husets 6 vinkelläge avkännas på något sätt, vilket kan åstadkommas med en reflexdetektor 29, fäst till instrument- höljet. Se nu även blockschemat i figur 5a och spänningsdia- grammet i figur Sb. Reflexdetektor 29 avkänner två diametralt placerade reflekterande markeringar 30 och 30a nära husets 6 periferi, och ger därför upphov till en pulserande digital spänning U3.

U3 leds till pulsgenerator 50 vilken för varje positiv flank av U3 ger ifrån sig en spänningspuls av storleksordning 100 uS längd, varvid en pulserande spänning U erhålles, som via drivsteg 53 styr lysdiod 22 till att ge ifrån sig ljus endast när spänning U är hög.

Det inses att de visade två markeringarna 30 och 30a ger upphov till två spänningspulser U3 och därmed två ljuspulser per varv. För endast en ljuspuls per varv ska en av marke- ringarna exkluderas.

Den situation vi nu har är att korta ljuspulser infaller regelbundet på nolldetektor 24, vilken därför via ingångssteg 467 10 15 20 25 30 35 378 14 54 ger upphov till korta spänningspulser U1, förutsatt att ljuset inte infaller precis mitt på nolldetektor 24. För att omvandla dessa spänningspulser U1 till en mer kontinuerlig spänning, kopplas de till en "sample and hold" krets 31 som hålles öppen endast när spänning U är hög. Efter "sample and hold" kretsen 31 finns då en mer kontinuerlig spänning U2, som förstärks och frekvensfiltreras i filter 51 enligt kon- ventionell reglerteori, innan den via slutsteg 52 pàförs kraftgivare 26. I figur Sb är kurva K61 godtyckligt vald i illustratívt syfte, för att visa hur U2 beror av U1.

Adderingskrets 40 diskuteras senare.

Ovanstående beskrivna regleranordníng arbetar endast omkring en enda axel (A1), ortogonal mot ínstrumentets siktlinje 35, men som ovan nämnts är det nödvändigt för komplett bildstabi- lisering att addera en andra likadan regleranordníng för att erhålla stabilisering omkring alla axlar ortogonala mot instrumentets siktlinje 35. Denna andra regleranordníng arbe- tar lämpligen på samma sätt som den ovan beskrivna, men om- kring en axel (A2) ortogonal mot den första (A1), och även denna (A2) ortogonal mot instrumentets siktlinje 35. I fig 6 visas rotorns läge streckat i det tidsögonblick lysdíod 57 ska utsända en ljuspuls. Ljuset från lysdíod 57 passerar spalt 32, reflekteras mot rotorns spegel 8 och infaller slut- ligen på nolldetektor 33.

En andra kraftgivare, kapabel att vrida den stabiliserade optikdelen 19 omkring axel A2, tillkommer också.

Vidare: det kan noteras att det inbördes läget mellan den kardanlagrade delen 19 (i centrerat läge) och oscillogyrot ej behöver vara sådant som visas i fig 1, men det måste dock tillses att ljusbanden från lysdíod 22 och 57 i drift aldrig missar speglarna 8 och/eller 9.

Fastän uppfinningen ovan har beskrivits i sin föredragna 4/ 10 15 20 25 30 35 467 378 15 utföringsform, kommer några alternativa utföringsformer att beskrivas nedan.

För det första kan det vara önskvärt att i vissa instrument stabilisera optikdelen omkring endast en axel, ortogonal mot siktlinjen. I detta fall ska denna optikdel vara rörlig i förhållande till instrumenthöljet omkring endast denna axel, och endast ett reglersystem erfordras då.

Det ska klargöras att ett stabiliseringssystem enligt uppfin- ningen utan hinder ska kunna användas tillsammans med andra typer av instrument eller apparater där en kropp är tröghets- stabiliserad på kort tidsbasis och på lång tidsbasis är kopp- lad till instrumenthöljet. Således behöver den kardanlagrade delen 19 inte nödvändigtvis innehålla optik, som hittills har varit förutsatt.

Luften inne i hus 6 kan om så önskas ersättas med valfri gas, vilken med en annan viskositet än luftens, vid i övrigt lika förhållanden, kan ge en förändrad viskös koppling mellan rotor 1 och hus 6, och därmed förändrad tidskonstant för rotorns rotationsplans precessering tillbaks till det mot motoraxel 4 vinkelräta centralläget.

En annan på valfritt sätt åstadkommen och på likvärdigt sätt verkande koppling mellan rotor 1 och motoraxel 4, kan helt eller delvis ersätta den inne i hus 6 inneslutna luftens viskösa inverkan. Detta exemplifieras i fig 9, där bladfjäder 3 ej visas av tydlighetsskäl. En på rotorbalk 48 fäst pinne 44 nedgår genom det mycket tunna och eftergivliga membranet 47 i en på motoraxel 49 fäst behållare 45 innehållande viskös vätska 46. I detta fall kan lämpligen de två speglarna (8 och 9 på rotor 1) ersättas av en enda spegel 43, fäst mitt pá rotorbalk 48. Spegel 43 ger endast obetydlig koppling till den i hus 34 inneslutna luften, varför den viskösa kopplingen som pinne 44 i behållare 45 ger, behövs för att möjliggöra centrering av rotorns rotationsplan och därmed målföljning.

Detta illustrerar också att rotorn kan ges valfritt utseende 467 10 15 20 25 30 35 <1 oo A 16 inom ganska vida gränser, bara de mekaniska parametrarna är så valda att rotorn uppför sig på önskat sätt.

Hus 5, som i föregående beskrivning har varit fäst på motor- axel 4 och således följt med i rotationen, kan om så önskas ersättas med ett till motorn fäst och stillastående hus 34, också visat i fig 9. Detta rekommenderas dock ej, eftersom störningar på grund av luftturbulens kan uppstå.

Huset kan också utelämnas helt, men detta rekommenderas än mindre, av samma skäl.

Vidare: torsionstråd 2 kan ersättas med annan typ av enaxligt lager, t.ex. ett konventionellt sådant med korsade bladfjäd- rar.

Det är inte nödvändigt att den kardanlagrade optikdelen hålles helt låst mot rotorns rotationsplan RP, med avseende på inbördes vinkelläge. Små inbördes vinkelskillnader kan om så önskas enkelt erhålles om en spänning (U4) ansluts till adderingskrets 40 i fig 5a, varvid U4 adderas till spänning U2. Om nolldetektor 24 ersätts med en optisk positionsdetek- tor som har större linjärítet, kan avsevärda inbördes vinkel- skillnader mellan rotorns rotationsplan och den kardanlagrade optikdelen 19 erhållas via spänning U4. Det är inte viktigt för uppfinningen hur denna spänning U4 ser ut eller hur den erhålles. Som ett specialfall med viss praktisk betydelse kan nämnas det fall där den kardanlagrade optikdelen 19 är designad på så sätt att den för bildstabilitet ska beskriva en vinkelrörelse, proportionell mot instrumenthöljets vinkel- rörelse. Avkänníng som slutligen producerar U4 ska då ske av inbördes vinkel mellan den kardanlagrade optikdelen och instrumenthöljet, omkring aktuell axel (A1, A2).

En alternativ avkänningsmetod för stabilisering kommer nedan att summariskt beskrivas i samband med fig 7 och 8, där reg- lering av den kardanlagrade delens mekaniska vinkelläge om- kring endast en axel, (indikerad som A3), ortogonal mot 10 15 20 25 30 35 467 378 17 instrumentets siktlinje 35 diskuteras. Positionsdetektor 36, den i likhet med ovan beskrivning pulsade lysdioden 37 och spalt 38 är här fästa till instrumenthöljet, och följer så- ledes med i instrumenthöljets rörelser. En spänning US er- hålls då efter ingrindning i en "sample and hold"-krets, i analogi med beskrivningen ovan. Det inses att U5 är propor- tionell mot rotationsplanets vinkelavvikelseag.

En andra på valfritt sätt fungerande avkänníng (ej visad) är anordnad till att ge upphov till en spänning U6, vilken är proportionell mot den kardanlagrade optikdelens vinkelläge relativt instrumenthöljet omkring axel A3. Om nu U5 och U6 jämförs i en substraherande krets 42, erhålles ut från denna en tredje spänning U7, som efter frekvensfiltrering enligt konventionell reglerteori påförs en kraftgivare som kan vrida den kardanlagrade optikdelen omkring aktuell axel (A3).

Det ska klargöras att ovan beskrivna optoelektroniska avkän- ningar av rotorns vinkelläge endast utgör en föredragen utfö- ringsform. Annan typ av optoelektronisk avkänning kan mycket väl användas, och alternativa avkänningar som utnyttjar kapa- citiv eller annan princip är också tänkbara.

Motor 5 kan om så önskas fästas via en mjuk koppling, t.ex. gummidämpning, relativt instrumenthöljet. Detta kan vara en fördel när instrumenthöljet önskas isolerat mot eventuella vibrationer, vilka kan överföras från motor 5 om de roteran- de delarna ej är tillräckligt dynamiskt balanserade. Detta förändrar på intet sätt funktionen; det väsentliga är att motor 5 följer med i instrumenthöljets långsamma vridande rörelser, vilket möjliggör målföljning.

Självfallet kan två stycken separat lagrade kroppar stabili- seras medelst avkänning av samma oscillogyro. Var och en av dessa kroppar är dä lagrad omkring var sin axel, vilka är in- bördes vinkelräta. En optik som kräver denna mekanik för bildstabilisering exemplifieras av US pat. 3.437.397. 467 10 15 378 18 Den kardanlagrade optikdelen 19 kan mycket väl förses med ytterligare en lageraxel, parallell med siktlinje 35, för möjlighet att rotera del 19 små vinklar relativt instrument- höljet omkring siktlinje 35. Det ovan beskrivna styrsystemet fungerar även i detta fall, bara det tillses att ingríndning- en av spänningen från nolldetektor 24 via sample- and hold- kretsen alltid sker vid rätt tidpunkt, enligt förut angiven regel. övriga små modifikationer av beskriven mekanik ska även dessa anses omfattas av uppfinningen. Ett exempel pá en sådan modi- fikatíon kan vara att bladfjäder 3 ersättes med någon annan mekanik som spänner tråd 2, och en annan modifikatíon kan vara att lysdiod 22 är utförd så, att den direkt ger begrän- sad ljusutbredníng, och därmed direkt producerar ljusband 25 på rotorspeglarna, varvid spalt 23 elimineras.

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 ,q 467 378 PATENTKRAV

1. Tröghetsstabiliseringssystem för ett instrument, vilket instrument innefattar ett hölje och en relativt instrumentets hölje vridbart lagrad kropp (19), k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar ett oscillogyro (1-6) såsom stabili- tetsreferens, vilket är anordnat till höljet pá så sätt att lângsaxeln för oscillogyrots drivande del (4) väsentligen följer höljets rörelser, avkänningsmedel (22-24, 57, 32, 33) för avkänning av vinkelläget hos oscillogyrots rotationsplan (RP), samt ett styrsystem för påverkan av vinkelläget för den vridbart lagrade kroppen (19) enligt det avkända rotations- planet (RP).

2. System enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det ingår i ett bildstabiliserat optiskt instrument där den vridbart lagrade kroppen (19) innefattar åtminstone en del av instrumentets optik, och att styrsystemet påverkar den vrid- bart lagrade kroppen (19) att omkring åtminstone en axel (A1; A2) med avseende pà sitt vinkelläge, vara väsentligen trög- hetsstabiliserad eller beskriva vinkelrörelser, proportionel- la mot men skilda från instrumenthöljets vinkelrörelser.

3. System enligt krav 1 eller 2, k å n n e t e c k n a t av att oscillogyrots rotor (1) och drivande del (4) är in- bördes eftergivligt anordnade, varigenom små inbördes vinkel- rörelser mellan rotorn (1) och oscillogyrots drivande del (4) tillátes, huvudsakligen i ett plan ortogonalt mot längsaxeln för oscillogyrots drivande del (4), för väsentlig ökning av stabiliteten hos oscillogyrots rotationsplan (RP) vid större vinkelavvikelser (Og).

4. System enligt krav l, 2 eller 3, _k ä n n e t e c k n a t av att oscillogyrots rotor (1) är belägen inne i ett hus (6; 34), att en koppling mellan rotorn (1) och den drivande delen -467 578 10 15 20 25 30 _35 20 (4) finns vilken introducerar ett moment mellan rotorn (1) och den drivande delen (4) omkring ett enaxligt lager (2) hos oscillogyrot, vilket moment är huvudsakligen proportionellt mot den relativa vinkelhastigheten mellan rotorn (1) och den drivande delen (4) omkring oscillogyrots enaxliga lager (2), varvid nämnda koppling möjliggör avsiktlig vinkeländring av rotor-referensplanet (RP) och därmed via nämnda styrsystem vinkeländríng av den vridbart lagrade kroppen (19), t.ex. vid mälföljning eller panorering.

5. System enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att luft eller gas inne i nämnda hus (6; 34) utgör åtminstone huvuddelen av nämnda koppling mellan oscillogyrots rotor (1) och drivande del (4).

6. System enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda styrsystem är anordnat att upprätthålla en konstant inbördes vinkelorientering mellan rotorns rotationsplan (RP) och den vridbart lagrade kroppen, omkring åtminstone en axel (A1).

7. System enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t huset (6) är anordnat att medfölja i rotatíonen hos oscillo- gyrots drivande del (4). av att

8. System enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a t av att oscillogyrots enaxliga lager utgöres av en spänd tor- sionstrád (2), vilken är fäst pà ömse sidor om rotorn, varvid avståndet mellan fästpunkterna är tillräckligt litet för att åstadkomma nämnda vinkeleftergivlíghet mellan oscillogyrots rotor och drivande del.

9. System enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a t av att rotorns (1) möjliga rörelse i torsionstràdens (2) radiella riktning begränsas av stopp (ll-14).

10. System enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att ett element (16) vid stillastående drivande del (4) genom 10 15 20 25 30 35 467 378 -u fjädrande påverkan är anordnat att trycka mot rotorn (1) och därigenom låsa rotorn till en centrerad position, och att elementet (16) efter start av oscillogyrot genom centrifugal- kraftens inverkan vid ett förutbestämt varvtal lämnar rotorn fri.

11. ll. System enligt krav 1-10, k ä n n e t e c k n a t av att avkänningsmedlet innefattar åtminstone en lysdiod (22) och en nolldetektor (24), varvid lysdioden utsänder korta ljuspulser, vilka reflekteras av åtminstone en speglande yta (8; 9) pá rotorn och därefter infaller pá detektorn (24).

12. System enligt krav ll, k ä n n e t e c k n a t av att detektorns (24; 36) utsignal (U1; U8) anslutes till en sample and hold-krets (31), vars utsignal frekvensfiltreras och pàföres en kraftgivare (26), vilken är anordnad att pá- verka vinkellâget för den vridbart lagrade kroppen (19).

13. Tröghetsstabiliseringssystem enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att det innefattar ett oscillo- gyro vilket utgör stabilitetsreferens, att oscillogyrot inne- fattar en drivande del (4) vilken roterar omkring en längs- axel, varvid den drivande delen (4) driver en rotor (1) via ett enaxligt lager (2) till att rotera omkring nämnda längs- axel med huvudsakligen konstant varvtal, att längsaxeln för den drivande delen (4) medföljer i höljets vinkelrörelser av låg frekvens relativt inertialrymden, varvid en vinkelav- vikelse (ca) mellan det plan rotorn (1) roterar i (RP) och ett plan (P), ortogonalt mot nämnda längsaxel kan uppstå, att rotorn (1) är belägen inne i ett hus (6; 34) där luft eller gas inne i huset huvudsakligen medföljer i den drivande delens rotation, att en koppling mellan rotorn (1) och den drivande delen (4) finns, vilken koppling introducerar ett moment mellan rotorn (1) och den drivande delen (4), vilket är huvudsakligen proportionellt mot den relativa vinkelhastig- heten mellan rotorn (1) och den drivande delen (4) omkring det enaxliga lagret (2), varvid centrering av rotationsplanet (RP) på lång tidsbasis sker genom den vinkelförflyttning i 467 avs il inertíalrymden som rotationsplanet (RP) vid vinkelavvikelse (CL) beskriver på grund av nämnda kopplings inverkan, att väsentlig ökning av rotationsplanets stabilitet relativt inertialrymden erhålles för ett vinkelintervall av vinkelav- 5 vikelsen (ck), genom att en vinkeleftergivlighet är anordnad att möjliggöra för ändamålet tillräckligt stora inbördes vin- kelrörelser mellan oscillogyrots rotor (1) och drivande del (4), i det plan (RP) som rotorn (1) roterar i.