DE2954637C2

DE2954637C2 - Low cost north seeking gyro

Info

Publication number: DE2954637C2
Application number: DE19792954637
Authority: DE
Inventors: Heinz Ing Grad Riethmueller; Rainer Dipl-Ing Sindlinger; Peter Prof Dr Ing Schultz
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1979-11-29
Filing date: 1979-11-29
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 1999-11-30

Abstract

A gyro comorises a gyro rotor with a horizontally alignable spinning axis, a first frame in which the gyro rotor is mounted, a second frame or pendulum in which the first frame is pivotally mounted about an axis, the second frame or oendulum being, in turn, pivotally mounted from a Cardan joint in a casing and whose axis of rotation is vertically alignable. A vertical alignment magnetic device is for vertical alignment of the second frame or pendulum.A follow up device has a pick-off for the angular position of the first frame relative to the second frame or oendulum and a stepping motor for follow up of the second frame or pendulum as a function of the pick-off signal. Thestepping motor serves at the same time as an angular position sensor for the second frame or pendulum

Description

Die Erfindung betrifft einen nordsuchenden Kreisel gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to a north-seeking gyroscope according to the Features of the preamble of claim 1.

Aus der DE 25 45 025 A1 ist ein nordsuchender Kreisel mit einem an einem Band aufgehängten Kreisel bekannt. Auf diesen Kreisel wirkt ein Kreiselrichtmoment, das die Drallachse des Kreisel nach Norden auszurichten versucht. Eine Auslenkung des Kreisels aus seiner Bandnullage wird mittels eines Abgriffs abgegriffen und hochverstärkt durch einen Verstärker auf einen Drehmomenterzeuger gegeben. Dieser Drehmomenterzeuger übt auf den Kreisel ein Drehmoment um die Bandachse aus, welches dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkt und so den Kreisel an seine Bandnullage fesselt. Der dem Kreiselrichtmoment proportionale Strom durch den Drehmomenterzeuger erzeugt einen entsprechenden Spannungsabfall an einem mit der Wicklung des Drehmomenterzeugers in Reihe liegendenn Widerstand. Das so erhaltene Signal wird mit einem - Signal multipliziert und dann zur Bestimmung der Nordrichtung herangezogen.From DE 25 45 025 A1 a north-seeking gyro is included known a gyroscope suspended on a band. On this Gyroscope acts a gyro directional moment, which the swirl axis of Attempt to align the gyro to the north. A deflection of the Spinning top from its band zero position is by means of a tap tapped and highly amplified by an amplifier on one Torque generator given. This torque generator exercises the gyro a torque about the band axis, which the Counteracting gyro torque and thus the gyro to his Band zero captivates. The proportional to the gyro directional torque Current through the torque generator creates one corresponding voltage drop at a with the winding of the Torque generator in series resistance. That so received signal is multiplied by a - signal and then used to determine the north direction.

Aus der DE-OS 14 98 042 und der DE-AS 19 54 790 sind nordsuchende Kreisel bekannt, bei denen der Kreiselrahmen über Servomotoren so verdreht wird, daß seine Spinachse in Nordrichtung zeigt. Die bekannten Nordungsverfahren sind langwierig und nicht sehr genau.From DE-OS 14 98 042 and DE-AS 19 54 790 are North seeking gyros known in which the gyro frame over Servomotors is rotated so that its spin axis in Shows north direction. The known northing methods are lengthy and not very precise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nordsuchenden Kreisel mit gerin gem Aufwand derart auszubilden, daß eine schnelle und zuverlässige Bestimmung der Nordrichtung gewährleistet ist.The invention is based, a north-looking gyro with the task to train in such a way that a quick and reliable determination the north direction is guaranteed.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruchs angegebenen Merkmale ge löst.This object is achieved by the features specified in the characterizing part of the first claim solves.

Bei dem erfindungsgemäßen nordsuchenden Kreisel werden in einer bevorzugten Aus führungsform in zwei gegeneinander um einen vorgegebenen Winkel von insbesondere 90° verdrehten Stellungen die Fesselmomente bzw. Eingangswinkelgeschwindigkeiten gemessen und aus diesen näherungsweise die Nordablage bestimmt. Anschließend wird mittels des Schrittmotors der Pendelkörper entsprechend der Nordablage nachgestellt und somit grob nach der Nordrichtung ausgerichtet und nunmehr in einer Feinmessung die Nordrichtung bestimmt. Auf diese sehr vorteilhafte Weise liegt bereits nach einer kurzen Zeit ein erster Näherungswert für die Nordrich tung in der Größenordnung von 1 Grad vor, deren Genauigkeit durchh die etwas län ger dauernde Feinmessung um eine Größenordnung weiter gesteigert wird. Hierbei ist es sehr zweckmäßig zur Störunterdrückung jeweils mehrere Winkelmessungen durchzuführen und Mittelwerte zu bilden bzw. eine Filterung von Störgrößen durch zuführen. Die Steuerung des genannten Nordungsablaufes, die Bestimmung der Win kel sowie die Filterung erfolgt bevorzugt mittels einer Recheneinrichtung bzw. eines Microprozessors. Zur Kompensation der Kreiseldrift wird in einer bevor zugten Ausführungsform vorgeschlagen, nach der einen Feinmessung den Kreisel mittels des Schrittmotors um einen definierten Winkel von insbesondere 180° zu verdrehen und danach eine zweite Feinmessung vorzunehmen. Aus den hierbei ge messenen Fesselmomenten bzw. Eingangswinkelgeschwindigkeiten wird dann die Nord richtung mit einer sehr hohen Genauigkeit sowie die Kreiseldrift bestimmt. Wei tere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.In the north-searching gyro according to the invention are in a preferred Aus leadership in two against each other by a predetermined angle of in particular 90 ° rotated positions the shackle moments or entry angular velocities measured and approximately determined the north offset from these. Subsequently becomes the pendulum body according to the north shelf by means of the stepper motor adjusted and thus roughly aligned to the north direction and now in a fine measurement determines the north direction. In this very beneficial way after a short time, the first approximation for the Nordrich on the order of 1 degree, the accuracy of which is somewhat longer continuous fine measurement is increased by an order of magnitude. Here it is very useful to suppress several angles in order to suppress interference carry out and averaging or filtering of disturbance variables respectively. The control of the northing process mentioned, the determination of the win kel and the filtering is preferably carried out by means of a computing device or a microprocessor. To compensate for the gyroscopic drift is in a before drafted embodiment proposed, after a fine measurement the gyro by means of the stepper motor by a defined angle of in particular 180 ° twist and then take a second fine measurement. From the ge Measured bondage moments or entry angular velocities then becomes the north direction determined with a very high accuracy and the gyro drift. Wei Other advantages result from the subclaims and the exemplary embodiment.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Aus führungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with reference to the drawing management example explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des nordsuchenden Kreisels teilweise im Längsschnitt, Fig. 1 is a schematic representation of the north-seeking gyro partially in longitudinal section;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Kreisels gemäß Fig. 1. FIG. 2 shows a block diagram of the gyro according to FIG. 1.

Der nordsuchende Kreisel gemäß Fig. 1 enthält in einem Gehäuse 1 einen über eine Grundplatte 2 und ein Kardangelenk 3 aufgehängten äußeren Rahmen (Pendelkörper) 4. Zwischen dem schematisch dargestellten Kardangelenk 3 und dem Pendelkörper 4 ist ein als Taumelscheibenmotor ausgebildeter Schrittmotor 5 angeordnet. Der Schrittmotor enthält einen am Kardangelenk 3 befestigten Stator 6 einen über ein Kugellager 7 drehbar angeordneten Rotor 8. Das Kugellager 7 dient gleichzeitig zur Lagerung des mit dem Rotor 8 verbundenen Pendelkörper 4. Auf dem Stator 6 sind über den Umfang verteilt eine Anzahl von elektrischen Wicklun gen 9 angeordnet. Der Rotor enthält einen mit dem Pendelkörper mittels einer axial nachgiebigen und radial steif angeordneten Taumelscheibe, oder mittels einer Membran 10 verbundenen Zahnkranz 11, welchem auf dem Stator gegenüber liegend ein Zahnkranz 12 zugeordnet ist. Die Zahnkränze 11, 12 weisen eine hohe Zähnezahl auf, wobei die Zähnezahldifferenz vorzugsweise gleich Eins ist. Bei einem derartigen Schrittmotor kann die Schrittweite entsprechend der Zähnezahl und der Anzahl der Wicklungen 9 relativ grob gewählt werden, wobei trotzdem eine sehr hohe Teilungsgenauigkeit erreicht wird. Der Pendelkörper 4 kann somit um die Drehachse 13 über den gesamten Winkelbereich voll durchgedreht und mit hoher Genauigkeit eingestellt werden. Der Schrittmotor 5 dient gleichzeitig als Win kelgeber für die Stellung des Pendelkörpers 4 bezüglich des Gehäuses 1, wobei ausgehend von einer vorgegebenen Nullstellung lediglich die Steuersignale für die Wicklungen 9 ausgezählt werden. Hierfür ist ein einfacher, hier nicht darge stellter Nullstellungsabgriff vorgesehen. Am unteren Ende des Pendelkörpers 4 ist ein elektrisch ansteuerbarer Lotmagnet 16 vorgesehen, dessen als sogenannter "Trampelfuß" ausgebildeter Anker 17 sich auf einem kalottenförmigen Teil 18 des Gehäuses 1 abstützt. Es ist ersichtlich, daß somit für den kardanisch aufgehäng ten Pendelkörper 4 eine Loteinrichtung geschaffen ist. Ist nämlich, abweichend von Fig. 1, die Hochachse 19 nicht vertikal ausgerichtet, so kann durch eine im Taktbetrieb erfolgende Ansteuerung des Lotmagneten 16 der Anker 17 von der Ka lotte abheben, mit der Folge, das der Pendelkörper 4 sich exakt vertikal aus richtet. Bei dieser eine sehr kurze Zeit von etwa fünf Sekunden dauernden Lotung ist es zweckmäßig, die Ansteuerfrequenz des Lotmagneten 16 etwa viermal so groß wie die Eigenfrequenz des Pendels zu wählen. Gegebenenfalls kann die Lotung auch über Lotführer sowie durch diese gesteuerte Stellglieder, wie zum Beispiel Ser vomotoren oder Drehmomenterzeuger, durchgeführt werden. The north-seeking gyroscope according to Fig. 1 includes a base plate 2 via a universal joint and an outer frame 3 suspended (pendulum body) 4 in a housing 1. Between the schematically illustrated universal joint 3 and the pendulum body 4 , a stepping motor 5 designed as a swash plate motor is arranged. The stepper motor contains a stator 6 fastened to the universal joint 3 and a rotor 8 rotatably arranged via a ball bearing 7 . The ball bearing 7 also serves to support the pendulum body 4 connected to the rotor 8 . On the stator 6 , a number of electrical windings 9 are arranged distributed over the circumference. The rotor contains a swash plate 11 connected to the pendulum body by means of an axially flexible and radially rigid swash plate, or by means of a membrane 10 , to which a toothed ring 12 is assigned on the opposite side of the stator. The ring gears 11, 12 have a high number of teeth, the difference in the number of teeth preferably being equal to one. With a stepper motor of this type, the step size can be selected relatively roughly in accordance with the number of teeth and the number of windings 9 , a very high division accuracy being nevertheless achieved. The pendulum body 4 can thus be rotated fully about the axis of rotation 13 over the entire angular range and adjusted with high accuracy. The stepper motor 5 also serves as a win encoder for the position of the pendulum 4 with respect to the housing 1 , with only the control signals for the windings 9 being counted starting from a predetermined zero position. For this purpose, a simple zero position tap, not shown here, is provided. At the lower end of the pendulum body 4 , an electrically controllable solder magnet 16 is provided, the armature 17 of which is designed as a so-called "trampling foot" and is supported on a dome-shaped part 18 of the housing 1 . It can be seen that a soldering device is thus created for the gimbaled pendulum body 4 . Namely, different from Fig. 1, the vertical axis 19 are not vertically aligned, as can be achieved by taking place in the cycle operation control of the Lotmagneten 16 of the armature 17 Lotte of the Ka stand out, with the result that is directed exactly vertically from the oscillating body 4. With this plumbing, which lasts for a very short time of approximately five seconds, it is expedient to select the actuation frequency of the solder magnet 16 approximately four times as large as the natural frequency of the pendulum. If necessary, the soldering can also be carried out using solder guides and actuators controlled by them, such as servo motors or torque generators.

Innerhalb des Pendelkörpers 4 befindet sich der Präzessionsrahmen 20, welcher einen um die Spinachse 21 drehbaren Kreiselmotor 22 enthält. Der Rahmen 20 ist gegenüber dem Pendelkörper 4 bzw. Nachführrahmen mittels einer statischen Gas lagerung, enthaltend ringförmige Axial- und Radialluftspalte 24, 25, um die Aus gangs- bzw. Drehachse 13 drehbar gelagert. Zur Speisung der Lagerung ist im unteren Teil des Pendelkörpers 4 ein schematisch angedeuteter Verdichter 27 vor gesehen. Der Verdichter 27 ist mittels ringförmigen Schwingungsdämpfungselemen ten 28, 29 im Pendelkörper 4 abgestützt. Es ist weiterhin ein Winkelstellungs abgriff und ein Drehmomenterzeuger 30, 31 vorgesehen. Hiermit wird einerseits die Winkelstellung des Rahmen 20 bzw. der Spinachse 21 bezüglich des Pendelkör pers 4 abgegriffen und andererseits ist ein Fesselmoment um die Drehachse 13 er zeugbar zur Fesselung des Rahmens 20 an eine vorgegebene Nullstellung. Als An trieb des Kreiselrotors 22 ist ein Motor 32, 33 vorgesehen, welcher bevorzugt als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Dieser Motor 32, 33 enthält an den beiden Längsseiten jeweils eine mit dem Rahmen 20 verbundene mehrphasige Statorwicklung 32, der auf dem Kreiselrotor 22 in Richtung der Spinachse 21 al ternierend polarisierte Permanentmagnete 33 gegenüberstehen. Die erforderliche Kommutierungselektronik ist oberhalb des Kreiselrotors 22 im Rahmen 20 angeord net. Es sind ferner zwischen Pendelkörper 4 und Rahmen 20 schematisch darge stellte Stromzuführungsfedern 36 vorhanden. Die gesamte zur Durchführung der Nordung erforderliche Elektronik 37 einschließlich Rechner, Microprozessor und Stromversorgung ist im oberen Teil des Kreisels auf der Grundplatte 2 angeord net, oder kann in einem separaten Gehäuse untergebracht sein. Der prinzipielle Aufbau der Elektronik des Kreisels wird anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 erläutert, wobei für die oben bereits beschriebenen Komponenten die gleichen Be zugszeichen verwendet werden. Es ist eine Stromversorgung 40 für Lotmagnet 16, Verdichter 27, Gleichstrommotor 32, 33, Abgriff 30 sowie für eine Ansteuerelek tronik 41 des Schritt-motors 5 und einen Rechner bzw. Microprozessor 42 vorhan den. Der Microprozessor 42 dient außer zur Steuerung des Nordungsvorganges und Berechnung der Winkelwerte auch zur unten näher beschriebenen Filterung von Störbewegungseinflüssen, welche beispielsweise als am Gehäuse angreifende Vibra tionen auftreten. Es ist ersichtlich, daß gegebenenfalls auch eine konventionel le Rechen- und Steuerelektronik verwendet werden kann. Within the pendulum body 4 is the precession frame 20 , which contains a gyroscope 22 which can be rotated about the spin axis 21 . The frame 20 is relative to the pendulum body 4 or tracking frame by means of a static gas bearing, containing annular axial and radial air gaps 24, 25 , about the output or rotational axis 13 rotatably mounted. To feed the storage, a schematically indicated compressor 27 is seen in the lower part of the pendulum body 4 . The compressor 27 is supported by means of annular vibration damping elements 28, 29 in the pendulum body 4 . There is also an angle position tap and a torque generator 30, 31 is provided. With this, on the one hand the angular position of the frame 20 or the spin axis 21 with respect to the Pendelkör 4 is tapped and on the other hand a tethering moment about the axis of rotation 13 he is manageable for tying the frame 20 to a predetermined zero position. At the drive of the gyro rotor 22 , a motor 32, 33 is provided, which is preferably designed as a brushless DC motor. This motor 32, 33 contains on each of the two longitudinal sides a multi-phase stator winding 32 connected to the frame 20 , which is opposed by permanent magnets 33 which are alternately polarized on the gyroscopic rotor 22 in the direction of the spin axis 21 . The required commutation electronics is net angeord above the gyro rotor 22 in the frame 20 . There are also schematically presented power supply springs 36 between the pendulum body 4 and frame 20 . All of the electronics 37 required for carrying out the northing, including the computer, microprocessor and power supply, are arranged in the upper part of the gyroscope on the base plate 2 , or can be accommodated in a separate housing. The basic structure of the electronics of the gyroscope is explained using the block diagram according to FIG. 2, the same reference numerals being used for the components already described above. It is a power supply 40 for solder magnet 16 , compressor 27 , DC motor 32, 33 , tap 30 and 41 for an Ansteuerelek electronics of the stepper motor 5 and a computer or microprocessor 42 the IN ANY. The microprocessor 42 is used not only to control the northing process and to calculate the angle values, but also to filter interference influences, which occur, for example, as vibrations acting on the housing. It can be seen that conventional computing and control electronics can also be used if necessary.

Dem Schrittmotor 5 ist noch ein einfacher Nullstellungsabgriff 43 für eine defi nierte Nullstellung des Pendelkörpers 4 zugeordnet. Der Nullstellungsabgriff ist mit dem Reset-Eingang eines Vorwärts/Rückwärts-Zählers 44 verbunden, auf dessen Eingänge aus der Ansteuerelektronik 41 Signale entsprechend der Schritt zahl sowie der Drehrichtung gegeben werden. Unter Berücksichtigung der Schritt weite des Schrittmotors entspricht somit der Zählerstand der Winkelstellung des Pendelkörpers. Mittels des Fesselkreises 45 wird eine Fesselung des Rahmens 20 gegenüber dem Pendelkörper 4 bzw. Nachführrahmen in eine definierte Nullstellung bewirkt. Hierbei ist im stationären Zustand der Strom des Drehmomentenerzeugers 31 ein Maß für das Fesselmoment, welches zur Kompensation des nordtreibenden Momentes aber auch von Störmomenten benötigt wird. Ein dem genannten Strom pro portionales Signal wird zweckmäßig über einen Analog/Digitalwandler 46 dem Microprozessor 42 zugeführt. Mittels eines beispielsweise quarzstabilisierten Taktgebers 47 wird der Takt für den Microprozessor 42 und die übrigen Teile der Elektronik geliefert.The stepper motor 5 is still a simple zero position tap 43 for a defi ned zero position of the pendulum 4 assigned. The zero tap is connected to the reset input of an up / down counter 44 , on whose inputs from the control electronics 41 signals are given according to the number of steps and the direction of rotation. Taking into account the step width of the stepper motor, the counter reading corresponds to the angular position of the pendulum body. By means of the restraining circle 45 , the frame 20 is restrained relative to the pendulum body 4 or the tracking frame in a defined zero position. Here, in the steady state, the current of the torque generator 31 is a measure of the restraining moment, which is also required to compensate for the north driving torque and for disturbing torques. A current per proportional signal is expediently fed to the microprocessor 42 via an analog / digital converter 46 . The clock for the microprocessor 42 and the other parts of the electronics is supplied by means of, for example, a quartz-stabilized clock generator 47 .

Der Funktionsablauf einer Nordung sowie die hierbei durchzuführenden Steuerungs- und Rechenschritte werden nunmehr beschrieben. Durch einen externen Nordsuchbe fehl wird zunächst der Kreisel eingeschaltet. Zur Lotung des Pendelkörpers 4 wird der Lotmagnet 16 mit Signalen der vierfachen Eigenfrequenz erregt und nach wenigen Sekunden ist die Ausgangs- oder Drehachse 13 exakt vertikal ausgerich tet. Nun erfolgt der Hochlauf des Kreiselrotors 21 auf Nenndrehzahl und gleich zeitig wird der Schrittmotor 5 schnell durchgedreht, damit bei Überschreiten der Nullstellung der Zähler 44 gelöscht wird und nachfolgend der Zählerstand der Winkelstellung des Pendelkörpers entspricht. Es ist zweckmäßig, bereits während des Hochlaufes den Fesselkreis zu schließen. Sobald der Kreiselrotor 22 seine Nenndrehzahl erreicht hat, wird in der gerade eingenommenen ersten Stellung des Kreisels eine erste Grobmessung des Fesselmomentes M₁ bzw. unter Berücksichti gung des Kreiseldralls H nach der Beziehung M₁=ω₁. H die Eingangs-Winkelge schwindigkeit ω₁ gemessen. Das vom Drehmomentenerzeuger ausgeübte Fesselmoment M ist dem Strom i porportional, der wiederum am Ausgang des Analog/Digitalwandlers 46 einen proportionalen Zahlenwert N zur Folge hat. Die Größe N ist demnach proportional zur Eingangs-Winkelgeschwindigkeit ω. Die KenngrößeThe functional sequence of a Nordung as well as the control and calculation steps to be carried out are now described. The gyro is first switched on by an external north search. To solder the pendulum body 4 , the solder magnet 16 is excited with signals of four times the natural frequency and after a few seconds the output or axis of rotation 13 is aligned exactly vertically. Now the gyro rotor 21 is ramped up to the nominal speed and, at the same time, the stepping motor 5 is turned rapidly so that the counter 44 is cleared when the zero position is exceeded and the counter reading subsequently corresponds to the angular position of the pendulum body. It is advisable to close the shackle circuit while it is starting up. As soon as the gyro rotor 22 has reached its nominal speed, in the first position of the gyro just taken, a first rough measurement of the restraining moment M 1 or taking into account the gyro twist H according to the relation M 1 = ω 1. H the input Winkelge speed ω₁ measured. The restraining moment M exerted by the torque generator is proportional to the current i, which in turn results in a proportional numerical value N at the output of the analog / digital converter 46 . The size N is therefore proportional to the input angular velocity ω. The parameter

ist die Gesamtverstärkung des Kreisels. Sie ist näherungsweise konstant; jedoch können geringfügige Änderungen, die sich z. B. durch Temperaturänderung oder durch Alterung von Bauteilen ergeben, durch einen weiter unten beschriebenen Kalibrationsvorgang automatisch erfaßt und berücksichtigt werden. is the Total gyro gain. It is approximately constant; however, minor changes, e.g. B. by temperature change or due to aging of components, by one described below Calibration process automatically recorded and taken into account.

Für ω₁ gilt die Beziehung:The relationship applies to ω₁:

ω₁=Ω_H · sinα₀+D+δω₁ (1)ω₁ = Ω · _H + D + sinα₀ δω₁ (1)

Hierbei sind:
Ω_H=Ω · cosϕ Horizontalkomponente der Erdrotation bei einer geographischen Breite ϕ,
α₀ willkürlicher Azimutwinkel gegen geographisch Nord,
D Kreiseldrift,
δω₁ Meßfehler infolge interner und externer Störgrößen.Here are:
Ω _H = Ω · cosϕ horizontal component of the earth's rotation at a latitude ϕ,
α₀ arbitrary azimuth angle against geographical north,
D gyro drift,
δω₁ measurement error due to internal and external disturbances.

Nachfolgend wird der Kreisel mittels des Schrittmotors 5 um einen definierten Winkel von insbesonders 90° gedreht und es wird eine zweite Grobmessung durch geführt:The gyro is then rotated by means of the stepping motor 5 through a defined angle, in particular 90 °, and a second rough measurement is carried out:

ω₂=Ω_H · sin (α₀+90°)+D+δω₂ (2)ω₂ = _H Ω · sin (α₀ + 90 °) + D + δω₂ (2)

Bei den Grobmessungen werden die über den Analog/Digitalwandler 46 dem Micro prozessor 42 zugeführten Meßwerte über einen Zeitraum von jeweils einigen Sekun den regelmäßig abgefragt und aus den derart erhaltenen Einzelmeßwerten von ω₁ bzw. ω₂ wird jeweils ein Mittelwert gebildet. Falls die Einzelmeßwerte, insbe sondere infolge externer Störbewegung, stark verrauscht sind, empfiehlt es sich, die Meßzeiten zu verlängern.In the coarse measurements, the 46 Micro via the analog / digital converter 42 processor-supplied values the regularly interrogated over a period of in each case some seconding and from the thus obtained Einzelmeßwerten of ω₁ and ω₂ a mean value is formed in each case. If the individual measured values are very noisy, particularly as a result of external interference, it is advisable to extend the measuring times.

Falls der Schrittmotor über einen Winkelbereich von größer 360° durchdrehbar ist, kann die zweite Grobmessung nach einer positiven oder negativen Drehung durchgeführt werden, wobei jedoch das Vorzeichen zu beachten ist.If the stepper motor can be rotated over an angular range of greater than 360 ° is the second rough measurement after a positive or negative rotation be carried out, however, the sign must be observed.

Falls der Winkelbereich exakt 360° beträgt, ist es zweckmäßig, die beiden Grobmessungen derart durchzuführen, daß die zweite Grobmessung zumindest nähe rungsweise in der Mitte des Drehbereiches liegt. If the angular range is exactly 360 °, it is advisable to use the two Carry out rough measurements in such a way that the second rough measurement is at least close approximately in the middle of the rotation range.

Nunmehr wird unter Vernachlässigung der Meßfehler δω₁ und δω₂ sowie unter Be rücksichtigung der Vorzeichen bzw. Drehrichtung mittels des Microprozessors 42 ein erster grober Schätzwert ₀ für den Azimutwinkel bestimmt und zwar nach der BeziehungNow, neglecting the measurement errors δω₁ and δω₂ and taking into account the sign or direction of rotation by means of the microprocessor 42, a first rough estimate ₀ for the azimuth angle is determined, specifically according to the relationship

Es wird hierbei für die Kreiseldrift ein Schätzwert D* eingesetzt, welcher bei der erstmals durchgeführten Nordung Null ist und bei weiteren Nordungen, wie weiter unten beschrieben, iterativ verbessert wird. Falls zu diesem Zeitpunkt die Nordung abgebrochen werden muß, steht zumindest ein erster grober Näherungs wert ₀ des Azimutwinkels zur Verfügung.An estimate D * is used for the gyro drift, which is at the northing that was carried out for the first time is zero and for further northings, such as described below, is improved iteratively. If at this time the northward must be broken off, there is at least a first rough approximation value ₀ of the azimuth angle.

Vom Microprozessor 42 gesteuert wird dann über die Ansteuerelektronik 41 der Schrittmotor 5 bzw. der Pendelkörper 4 um den Winkel ₀±90° gedreht, so daß die Spinachse 21 grob auf die Nordrichtung ausgerichtet ist. In einer zweck mäßigen Ausgestaltung erfolgt die Drehung jeweils auf dem kürzesten Weg, wobei die Drehung nach Norden oder auch nach Süden erfolgt, je nachdem, welche Stellung näher liegt. Es sei an dieser Stelle hervorgehoben, daß die grobe Ausrichtung des Kreisels gegebenenfalls auch in anderer Weise, beispielsweise mittels einer anderen Nordrichtungsreferenz, durchgeführt werden kann.The stepping motor 5 or the spherical body 4 is controlled by the microprocessor 42 then the control electronics 41 is rotated by the angle ₀ ± 90 °, so that the spin axis 21 roughly aligned with the north direction. In an expedient embodiment, the rotation takes place in each case on the shortest path, the rotation taking place north or south, depending on which position is closer. It should be emphasized at this point that the rough alignment of the gyroscope can also be carried out in a different way, for example by means of a different north direction reference.

Ist die Grobausrichtung durchgeführt, so erfolgt eine erste Feinmessung der Winkelgeschwindigkeit und es gilt die BeziehungOnce the rough alignment has been carried out, a first fine measurement of the Angular velocity and the relationship applies

ω₃=Ω_H · Δα+D+δω₃ (4)ω₃ = _H Ω · Δα + D + δω₃ (4)

Hierbei ist mit Δα die aufgrund der Ungenauigkeit der Berechnung von ₀ und auf grund der endlichen Schrittweite des Schrittmotors 5 verbleibende Nordablage unter Berücksichtigung der Tatsache, daß für kleine Winkel der Sinus dem Winkelwert entspricht, und mit δω₃ der Meßfehler bezeichnet. Im Interesse einer optimalen Störunterdrückung werden mittels des Microprozessors 42 über einen längeren Zeitraum hinweg, wiederum Einzelmeßwerte abgefragt und gemittelt und zwar in einem Zeitraum von etwa 1 Minute. Here is with Δα the due to the inaccuracy of the calculation of ₀ and due to the finite increment of the stepper motor 5 remaining north offset taking into account the fact that for small angles the sine corresponds to the angle value, and with δω₃ the measurement error. In the interest of optimal interference suppression, the microprocessor 42 again polls and averages individual measured values over a longer period of time, specifically in a period of approximately 1 minute.

Die Einzelwerte werden zweckmäßig über Tiefpaßfilter im Microprozessor 42 geglät tet, wobei die Zeitkonstante kontinuierlich anwächst. Darüber hinaus ist es sehr zweckmäßig, Einzelmeßwerte, deren Differenz zum gefilterten Mittelwert aus den vorangegangenen Werten eine vorwählbare Toleranzgrenze überschreiten, nicht zu berücksichtigen, wobei die Toleranzgrenze bevorzugt über dem Meßzeitraum abnimmt. Darüber hinaus empfiehlt es sich, die Toleranzgrenze für jeden Einzelmeßwert oder auch für eine Gruppe von Einzelmeßwerten aus der Streubreite der vorangegan genen Einzelmessungen zu bestimmen und/oder den Meßzeitraum in Abhängigkeit von der Streubreite zu verkürzen oder aber zu verlängern.The individual values are expediently smoothed via low-pass filters in the microprocessor 42 , the time constant increasing continuously. In addition, it is very expedient not to take into account individual measured values whose difference from the filtered mean value from the previous values exceeds a preselectable tolerance limit, the tolerance limit preferably decreasing over the measurement period. In addition, it is advisable to determine the tolerance limit for each individual measured value or also for a group of individual measured values from the spread of the previous individual measurements and / or to shorten or lengthen the measurement period depending on the spread.

Es werden somit höherfrequente Störanteile aus den Einzelmeßwerten herausgefil tert und außerdem die Einzelmeßwerte unterdrückt, welche vom Mittelwert weit abliegen, mit der Folge, daß insbesondere einmalige Störungen wirksam unterdrückt werden. Andererseits kann aber auch die Nordung, falls erforderlich, bereits während der ersten Feinmessung abgebrochen werden und aus der bis dahin erhalte nen mittleren Winkelgeschwindigkeit ₃ die Nordrichtung mit allerdings geringe rer Genauigkeit bestimmt werden.Higher-frequency interference components are thus filtered out of the individual measured values tert and also suppresses the individual measured values, which are far from the mean lie, with the result that in particular one-time interference is effectively suppressed will. On the other hand, if necessary, the north can already be aborted during the first fine measurement and from which get until then NEN angular velocity ₃ the north direction with low accuracy.

Aus dem derart bestimmten Mittelwert ₃ der Winkelgeschwindigkeit ω₃ wird mit tels des Microprozessors 42 die verbliebene mechanische Nordablage Δα* bestimmt:From the mean value ₃ of the angular velocity ω₃ determined in this way, the remaining mechanical north offset Δα * is determined using the microprocessor 42 :

Aus der Nordablage Δα* wird zusammen mit dem Signal des Schrittmotors 5 ent sprechend der Winkelstellung α₀ die Nordrichtung bestimmt.From the north offset Δα * is determined together with the signal of the stepper motor 5 accordingly the angular position α₀ the north direction.

Hierbei entsteht ein FehlerThis creates an error

Der Meßfehler δω₃ ist aufgrund der oben erläuterten Filterung und Mittelwert bildung während der ersten Feinmessung relativ gering. Da aber die wirkliche Kreiseldrift D von dem bisher berücksichtigten Schätzwert D* infolge von Tem peraturänderungen, Alterung usw. in der Regel abweicht, wird in einer bevorzugten Weiterbildung der systematische Fehleranteil ΔD=D*-D durch eine nachfolgende Kalibration weitgehend unterdrückt. Hierzu wird mittels des Schrittmotors 5 der Kreisel um möglichst exakt 180° gedreht. In dieser Stellung wird nunmehr eine zweite Feinmessung der Winkelgeschwindigkeit ω₄ durchgeführt, wobei wiederum die oben beschriebene Mittelwertbildung und Filterung von Einzelmeßwerten erfolgt:The measurement error δω₃ is relatively low due to the filtering and averaging described above during the first fine measurement. However, since the actual gyro drift D generally deviates from the previously considered estimated value D * due to temperature changes, aging, etc., in a preferred development, the systematic error component ΔD = D * -D is largely suppressed by a subsequent calibration. For this purpose, the gyro is rotated by the stepper motor 5 by as exactly 180 ° as possible. In this position, a second fine measurement of the angular velocity ω₄ is now carried out, again using the averaging and filtering of individual measured values described above:

ω₄=-Ω_H · Δα+D+δω₄ (7)ω₄ = -Ω · _H + D + Δα δω₄ (7)

Aus den derart bestimmten Winkelgeschwindigkeiten der beiden Feinmessungen wird nunmehr die Nordablage Δα bestimmt, unter der Voraussetzung, daß die Meßfehler δω₃ und δω₄ wesentlich kleiner als der Fehleranteil ΔD sind, so daß die Beziehung gilt:The angular velocities of the two fine measurements determined in this way become now determines the north offset Δα, provided that the measurement errors δω₃ and δω₄ are significantly smaller than the error component ΔD, so that the relationship applies:

Die Nordrichtung bzw. der Nordwinkel α wird nunmehr aus der Nordablage Δα sowie der Winkelstellung des Pendelkörpers bestimmt und zwar mit einer sehr hohen Ge nauigkeit. Mit anderen Worten: Es wird aus den Meßwerten der beiden Feinmessungen der zeitlich konstante Fehleranteil infolge des Störmomentes berechnet und rechnerisch kompensiert.The north direction or the north angle α is now from the north offset Δα and determines the angular position of the pendulum body with a very high Ge accuracy. In other words, it becomes from the measured values of the two fine measurements the temporally constant proportion of error due to the disturbance torque is calculated and computationally compensated.

Weiterhin wird aus den Beziehungen (4) und (7), d. h. aus den gefilterten Meßwer ten ω₃ und ω₄, zumindest näherungsweise die Kreiseldrift bestimmt und zwar nach der BeziehungFurthermore, from the relationships (4) and (7), d. H. from the filtered measurement ten ω₃ and ω₄, at least approximately determined the gyro drift after the relationship

Der somit erhaltene Mittelwert wird im Microprozessor 42 als neuer Schätzwert D* der Kreiseldrift abgespeichert. Bei der nächsten Nordung wird mit diesem Schätz wert die Bestimmung der Nordablage nach der ersten Feinmessung entsprechend der Beziehung (5) durchgeführt.The mean value thus obtained is stored in the microprocessor 42 as the new estimated value D * of the gyro drift. With the next northing, this estimate is used to determine the north offset after the first fine measurement according to relationship (5).

Hierdurch wird insbesondere für den Fall, daß keine Zeit für eine zweite Fein messung zur Verfügung steht, bereits nach der ersten Feinmessung der Nordablage entsprechend der Beziehung (5) recht genau bestimmt. This is especially in the event that there is no time for a second fine measurement is available after the first fine measurement of the north shelf determined quite precisely according to the relationship (5).

In den oben angegebenen Beziehungen (5) und (8) wird die Horizontalkomponente der ErdrotationIn the relationships (5) and (8) given above, the horizontal component the earth's rotation

Ω_H=Ω · cosϕΩ _H = Ω · cosϕ

benötigt. Für kleine Nordablagen genügt es bekanntlich, mit einem für das jewei lige Einsatzgebiet gültigen und auf einige Prozent genauen Mittelwert zu rechnen, wobei dieser in den Rechner bzw. Microprozessor 42 extern einzugeben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch vorgeschlagen, die Horizontalkomponente Ω_H näherungsweise aus den Meßwerten ω₁, ω₂ der beiden Grobmessungen zu berechnen.needed. For small north shelves, it is known that it is sufficient to use a mean value that is valid for the respective area of use and is accurate to a few percent, this being entered externally into the computer or microprocessor 42 . In a preferred embodiment, however, it is proposed to approximately calculate the horizontal component Ω _H from the measured values ω₁, ω₂ of the two rough measurements.

Hierbei wird zweckmäßigerweise für die Kreiseldrift D der nach der Beziehung (9) erhaltene Wert berücksichtigt. Darüber hinaus wird aus der derart berechneten Horizontalkomponente der Erdrotation _H ein Näherungswert für die geographische Breite bestimmt und zwar nach der BeziehungIn this case, the value obtained in relation (9) is expediently taken into account for gyro drift D. In addition, an approximate value for the geographical latitude is determined from the horizontal component of the earth rotation _H calculated in this way, specifically according to the relationship

= arc cos _-H/Ω (11)= arc cos _-H / Ω (11)

Da bei den oben beschriebenen Messungen nicht direkt die Winkelgeschwindigkeiten ω, sondern nur die resultierenden Digitalwerte N als Ausgangsgrößen verfügbar sind, muß die Gesamtverstärkung K des Gerätes bekannt sein. Dazu wird von Zeit zu Zeit im Anschluß an die Grobmessung die Spinachse 21 vor der Feinmessung in zwei gegenüber Nord um vorzugsweise ±90° verdrehte Stellungen gedreht. Dabei werden die MeßwerteSince the angular velocities ω are not directly available as output variables in the measurements described above, but only the resulting digital values N, the overall gain K of the device must be known. For this purpose, the spin axis 21 is rotated from time to time after the rough measurement before the fine measurement in two positions rotated preferably ± 90 ° with respect to the north. The measured values

erhalten. Daraus läßt sich die Verstärkung näherungsweise nach der Beziehungreceive. From this, the gain can be approximated according to the relationship

berechnen, da sin (Δα+90°)=cos Δα≈1, und sin (Δα-90°)=-cos Δα≈-1. calculate since sin (Δα + 90 °) = cos Δα≈1, and sin (Δα-90 °) = - cos Δα≈-1.

Die Nordung des Kreisels erfolgt in den oben angegebenen Verfahrensschritten, wobei mittels des Schrittmotors 5 der Pendelkörper 4 und somit auch die gefessel te Kreiselspinachse 21 in die jeweils erforderliche Stellung mit hoher Genauig keit eingestellt wird. Hierbei dient bevorzugt der Microprozessor 42 sowohl zur Steuerung der einzelnen Verfahrensschritte bzw. zur Ansteuerung des Schrittmo tors 5 als auch zur Berechnung der angegebenen Winkelwerte sowie zur Filterung der während der Grob- und Feinmessung vom Fesselmoment bzw. von der Winkelge schwindigkeit erhaltenen Einzelmeßwerte.The north of the gyro is carried out in the above-mentioned method steps, with the stepping motor 5 of the pendulum body 4 and thus also the bound te gyroscopic axis 21 in the respectively required position is set with high accuracy. Here, the microprocessor 42 is preferably used both to control the individual method steps or to control the stepper motor 5 and also to calculate the specified angle values and to filter the individual measured values obtained during the coarse and fine measurement of the restraining moment or the angular velocity.

Claims

1. North-seeking roundabout, containing

an outer frame (pendulum body) suspended in a housing with a soldering device for vertical alignment of its axis of rotation,
an inner frame (gyro frame) with an axis of rotation parallel to the axis of rotation of the outer frame,
a rotary motor installed in the inner frame with a spin axis arranged orthogonally to the frame axis, ie horizontally orientable,
an angle tap for sensing the migration of the gyro frame caused by a north driving moment,
a restraint controller that keeps the gyro frame tied in its zero position according to an angle tap,
a torque generator controlled by the restraint controller for generating a torque counteracting the north driving torque, where the current is a measure of the input angular velocity (ω),

characterized in that the outer frame (pendulum body) ( 4 ) is set by means of a stepping motor in at least two defined angular positions, that a computer unit (microprocessor) ( 42 ) is provided, which in the individual angular positions corresponds to measured values corresponding to the current of the torque generator ( 31 ) and the respective angular position of the outer frame (pendulum body) ( 4 ) are supplied, and that the north direction is determined from the measured values mentioned.

2. North seeking gyroscope according to claim 1, characterized in that the step size achievable by means of the stepping motor ( 5 ) for the outer frame (pendulum body) ( 4 ) is relatively large, while the division accuracy or the reproducible setting accuracy in the order of magnitude of the desired measurement accuracy of Gyro lies.

3. North-seeking gyro according to one of the preceding claims, characterized in that control electronics ( 41 ) for the stepper motor ( 5 ) and a zero position tap ( 43 ) is provided, the signals from the control electronics ( 41 ) and the zero position tap ( 43 ) providing the Angular position is determined.

4. North-seeking gyroscope according to one of the preceding claims, characterized in that the angular velocities (ω₁, ω₂) are measured in at least two arbitrary positions of the spin axis ( 21 ) rotated relative to one another by in particular 90 °, the setting by means of the stepping motor ( 5 ) it follows that a first estimate (₀) for the azimuth angle is determined from the measured values of the two rough measurements and that subsequently the gyroscope or pendulum body ( 4 ) is rotated by means of the stepping motor ( 5 ) in accordance with the estimate (₀) such that a rough alignment the spin axis ( 21 ) approximately to north.

5. North seeking gyroscope according to claim 4, characterized in that the two rough measurements are made in two positions rotated by exactly 90 ° and that the estimated value (₀) from the arc tan of the correctly used measured values (ω₁, ω₂) according to the relationship is determined, a known value and / or a value that can be calculated from further measurements being used for the gyro drift (D *).

6. North seeking gyroscope according to claim 4 or 5, characterized in that the stepper motor ( 5 ) can be rotated over a finite angular range of equal to or greater than 360 ° and that the second rough measurement is carried out at least approximately in the region of the center of the angular range.

7. North seeking gyro according to one of claims 4 to 6, characterized in that the rough measurements each over a preselectable period of a few seconds are, each with a number of individual measured values be queried regularly, and from these by filtering and / or averaging determines the measured values ω₁ and ω₂ will.

8. North seeking gyro according to one of claims 2 to 7, characterized in that from the angular velocities (ω₁, ω₂) an approximate value of the horizontal component of the earth's rotation _H - according to the relationship is determined.

9. North seeking gyroscope according to one of claims 1 to 8, characterized in that after the rough alignment, the spin axis ( 21 ) is held in this position by means of the captive circle, that the angular velocity (ω₃) is measured in a first fine measurement and that the north offset is derived therefrom Δα * according to the relationship is determined, a known value and / or a value that can be calculated from further measurements being used for the gyro drift (D *) and the horizontal component (Ω _H ) of the earth's rotation being used.

10. North seeking gyro according to claim 9, characterized characterized that the fine measurement in a longer, preselectable period is carried out, with a number of Individual measured values are queried regularly and from these Filtering and / or averaging the measured value (ω₃) determined becomes.

11. North seeking gyro according to claim 10, characterized characterized in that the individual measured values via a low-pass filter to be smoothed.

12. North seeking gyro according to claim 10, characterized characterized in that the time constant of the low-pass filter grows continuously or gradually.

13. North seeking gyro according to claim 10 to 12, characterized in that individual measured values, their difference to the filtered mean from the previous values exceed the preselectable tolerance limit, disregarded stay.

14. North seeking gyro according to claim 13, characterized characterized in that the tolerance limit during the Measurement period is reduced.

15. North seeking gyro according to claim 13 or 14, characterized characterized in that the tolerance limit for each of the Single measurements or for a group of Individual measured values from the spread of the previous one Individual measurement values are determined and / or that the measurement period in Dependency of the spread is changed.

16. North-seeking gyro according to claim 9, characterized in that after performing the first fine measurement, the spin axis ( 21 ) or the outer frame (pendulum body) ( 4 ) by means of the stepping motor ( 5 ) is rotated through a defined angle of in particular 180 °, that the angular velocity (ω₄) is then measured in a second fine measurement and that the temporally essentially constant proportion of the disturbing torques is determined and stored for the measured values of the two fine measurements.

17. North seeking gyro according to claim 16 and at least one of claims 10 to 15, characterized in that also one of the first fine measurements for the second fine measurement appropriate filtering and / or averaging is carried out.

18. North seeking gyroscope according to claim 16 or 17, characterized in that from the angular velocities (ω₃, ω₄) the north position Δα according to the relationship is determined, taking into account the horizontal component of the earth's rotation (Ω _H ).

19. North seeking gyro according to claim 16 or 17, characterized in that from the angular velocities (ω₃, ω₄) approximately the gyro drift according to the relationship is determined and that in a subsequent northing the stored gyro drift D is taken into account both in the rough measurement and in the fine measurement as an a priori estimate D *.

20. North-seeking gyro according to one of claims 2 to 19, characterized in that by means of the microprocessor ( 42 ) the control of the north pass and / or the control of the stepping motor ( 5 ) and / or the specified calculations and / or the filtering of individual measured values is carried out will.

21. North seeking gyro according to one of claims 2 to 20, characterized in that after the calculation of the north angle ₀ the spin axis ( 21 ) successively rotated in one or more, in particular shifted by + 90 ° and / or -90 ° to the north and the change ΔN of the output value N supplied by the A / D converter ( 46 ) is determined.

22. North-seeking gyro according to claim 21, characterized in that the total gain from the measured size N and the change Δω of the component of the earth's rotation acting on the gyro of the gyroscope, which shows the relationship between an externally acting angular velocity ω and the digital value N, which results from the resulting current i of the torque generator ( 31 ) after A / D conversion, according to the relationship is calculated.

23. North-seeking gyro according to claim 21 or 22, characterized in that the rotation based on the coarse measurement takes place successively exactly in the position α₅ = 90 ° -α₀ and α₆ = α₅ ± 80 °, that the output variables corresponding to these positions measured N₆ and N₆ and the parameter K according to the relationship is calculated.

24. North-looking gyro according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator is designed as a stepping motor ( 5 ) with high division accuracy, which also serves as an angle encoder for the position of the outer frame (pendulum body) ( 4 ) relative to the housing.

25. North-seeking gyroscope according to claim 24, characterized in that the stepping motor ( 5 ) is designed as a flat swashplate motor in the direction of the axis of rotation, the stator ( 6 ) of which is connected to the universal joint ( 3 ) and on the rotor ( 8 ) of the outer frame (Pendulum body) ( 4 ) is attached, a bearing ( 7 ) for the rotor ( 8 ) simultaneously forming the bearing of the outer frame (pendulum body) ( 4 ).

26. North-seeking gyro according to claim 24 and 25, characterized in that the stepping motor ( 5 ) on the stator ( 6 ) and rotor ( 8 ) has intermeshing gear rings ( 12, 11 ), the difference in the comparatively large number of teeth being at least one is, and that the ring gear ( 11 ) in the rotor ( 8 ) in the direction of the axis of rotation ( 13 ) is flexible and stiff in the circumferential direction.

27. North-seeking gyroscope according to one of the preceding claims, characterized in that the soldering device has an electrically controllable electromagnet ( 16 ) arranged at the lower end of the outer frame (pendulum body) ( 4 ), the armature ( 17 ) of which rests on a dome-shaped part ( 18 ) of the housing ( 1 ).