DE3445651A1 - North-determining course and position reference device for vehicles - Google Patents
North-determining course and position reference device for vehiclesInfo
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Abstract
Description
Nordermittelndes Kurs- und Lage-Referenzgerät für Fahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf ein nordermittelndes Kurs- und Lage-Referenzgerät für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.Nordermittelndes course and position reference device for vehicles The invention refers to a north-averaging heading and position reference device for vehicles according to the preamble of claim 1.
Ein derartiges Gerät ist in der Deutschen Patentanmeldung P 33 22 632.6 beschrieben, zu der die vorliegende Anmeldung eine Zusatzanmeldung darstellt.Such a device is in German patent application P 33 22 632.6, to which the present application is an additional application.
Für bestimmte Einsatzzwecke derartiger Referenzgeräte ist die Ermittlung der durch Seegang bedingten Horizontal-Linearbewegung erforderlich, beispielsweise für die dynamische Positionierung eines Schiffes. Desgleichen wird für Vermessungszwecke die Hubbewegung, als die Vertikalbewegung eines Schiffes, für die Korrektur der Wasserliefenmessung benötigt.For certain purposes of such reference devices, the determination is the horizontal-linear movement caused by the sea, for example for the dynamic positioning of a ship. The same is used for surveying purposes the lifting movement, as the vertical movement of a ship, for the correction of the Water flow measurement required.
Oberflächengebundene Fahrzeuge wie z. B. Schiffe, verändern betriebsmäßig nicht ihre mittlere Höhe. Zur Erfassung der Hubbewegung genügt daher die Einfach- oder Doppelintegration des Ausgangssignales eines vertikal angeordneten Beschleunigungsmessers in einem begrenzten Frequenzbereich.Surface vehicles such as B. Ships change operationally not their mean height. To record the stroke movement, the simple or double integration of the output of a vertically arranged accelerometer in a limited frequency range.
Die Erfassung einer horizontalen Bewegung eines Fahrzeuges erfolgt analog zur Hubbewegung ebenfalls durch Einfach- oder Doppel integration der Ausgangssignale von zwei unter 90° in der Horizontalen angeordneten Beschleunigungsmessern in einem begrenzten Frequenzbereich. Da mit diesem Verfahren keine mittlere Positionsänderung erfasst werden kann, ist es erforderlich, die mittlere Position über ein gesondertes Messsystem zu erfassen und mit diesen Werten die durch die Doppelintegration gewonnene e won n e n e relative Position zu st ii tzen Derartige zum Stütze geeignete Messsysteme sind von verschiedenen Firmen auf dem Markt. Alle diese System sind jedoch für sich attein nicht in der Lage, Positionsänderungen im Bereich unterhalb eines Meters zu erfassen oder genügend schnell zu erfassen.The detection of a horizontal movement of a vehicle takes place analogous to the stroke movement also through single or double integration of the output signals of two accelerometers arranged at 90 ° in the horizontal in one limited frequency range. Since with this method there is no mean change in position can be recorded, it is necessary to use a separate center position To record the measuring system and with these values the obtained by the double integration A relative position has to be supported Such for support suitable measuring systems are available on the market from various companies. All of this system are, however, attein not able to change position in the area below of a meter or to be recorded quickly enough.
Vorhandene sogenannte Strapdown-Systeme enthalten naturgemäß 3 Beschleunigungsrnesser und können nach dem oben genannten Verfahren die dreiachsigen Linearbewegungen ermitteln. Die in diesen Systemen vorhandenen Beschleunigungsmesser, die der Ermittlung des Nordbezuges dienen, sind entsprechend äußerst genau und damit auch äußerst teuer.Existing so-called strapdown systems naturally contain 3 acceleration meters and can determine the three-axis linear movements according to the above-mentioned method. The accelerometers present in these systems that are used to determine the Serving north reference are accordingly extremely accurate and therefore extremely expensive.
Eine andere Möglichkeit zur Ermittlung der Linearbewegung besteht in der Verwendung einer kreisel-stabilisierten Vertikal- oder Horizontalreferenz, die ebenfalls mit drei Beschleunigungsmessern bestückt ist. Dies macht jedoch ein komplettes und teueres zusätzliches System erforderlich.There is another possibility to determine the linear movement in the use of a gyro-stabilized vertical or horizontal reference, which is also equipped with three accelerometers. However, this makes one complete and expensive additional system required.
Bei dem in der Stammanmeldung P 33 22 632.6 beschriebenen Gerät sind zur Reduzierung des Dynamikbereiches die Drehgeschwindigkeitssensoren an einem Pendel angeordnet.In the device described in the parent application P 33 22 632.6 to reduce the dynamic range the speed sensors on a pendulum arranged.
Bei horizontalen Beschleunigungen geht ein derartiges Pendel ins Schein lot.Such a pendulum appears in the light of horizontal accelerations lot.
Dabei ist das Scheiniot die Resultierende aus der als konstant anzusetzenden Erdbeschleunigung und der Horizontalbeschleunigung, so daß die Winkelauslenkung aus der Vertikalen ein Maß für die Horizontalbeschleunigung ist.The illusion is the resultant of that which is to be set as constant Acceleration due to gravity and the horizontal acceleration, so that the angular deflection from the vertical is a measure of the horizontal acceleration.
Bei einem zweiachsig gelagerten Pendel wirkt das Pendel selbst als zweiachsiger Beschleunigungsmesser.In the case of a biaxially supported pendulum, the pendulum itself acts as a dual axis accelerometer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Referenzgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszugestalten, daß neben den drei Lagewinkeln der Fahrzeuge in kostengünstiger Weise auch eine Information über die Linearbewegung in allen drei Fahrzeugachsen ermöglicht wird.The invention is based on the object of providing a reference device according to to design the preamble of claim 1 so that in addition to the three position angles of the vehicles also provides information about the linear movement in a cost-effective manner is made possible in all three vehicle axles.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 bzw. des Anspruches 2 gelöst.According to the invention, the object is achieved by the features of the label of claim 1 or claim 2 solved.
Der wesentliche Lösungsaspekt liegt in der Anordnung eines Beschleunigtingsmessers mit seiner Meßachse parallel zur Pendel längsachse. Dadurch wird eine dreiachsige Beschleunigungsmessung ermöglicht.The essential aspect of the solution lies in the arrangement of an accelerometer with its measuring axis parallel to the pendulum's longitudinal axis. This makes a three-axis Acceleration measurement enables.
Die Anforderungen an die Qualität des zusätzlichen Beschleunigungsmessers sind nur durch die Anforderungen an die Sensierung der Hubbewegung bedingt.The requirements for the quality of the additional accelerometer are only due to the requirements for sensing the stroke movement.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholu0gen wird auf entsprechende Ausführungen der Stammanmeldung verwiesen.Embodiments of the invention are shown in the drawing. In order to avoid repetitions, please refer to the corresponding statements in the parent application referenced.
Es zeigt: Figur 1 in perspektivischer schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel nit drehbarer Lagerung des gesamten Referenzgerätes, Figur 2 die Darstellung der drei Messachsen der Kreisel zum Navigationsrahmen durch sogenannte Eulerwinkel, Figur 3 die schematische Schaltunosanordnung zur Ermittlung des Kurswinkels, Figur 4 die Frequenzgänge des Referenzgerätes, Figur 5 eine schematische Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Hubgeschwindigkeit und des Hubweges, Figur 6 die schematische Schaltungsanordnung zur Ermittlung der drei-achsigen Lineargeschwindigkeit und -bewegung mit Koordinatentransformation.It shows: FIG. 1 in a perspective schematic illustration Exemplary embodiment with rotatable mounting of the entire reference device, FIG. 2 the representation of the three measuring axes of the gyroscope to the navigation frame by so-called Euler angle, Figure 3 the schematic circuit arrangement for determining the course angle, FIG. 4 shows the frequency responses of the reference device, and FIG. 5 shows a schematic circuit arrangement for determining the lifting speed and the lifting path, FIG. 6 the schematic Circuit arrangement for determining the three-axis linear speed and movement with coordinate transformation.
Beschreibung der Fig. 1 Ein freier Kreisel 1, ausgestattet mit zwei Meßachsen 2 und 3, ist zusammen mit einem Drehgeschwindigkeitssensor 4 so angeordnet, daß beide Bestandteile einer rnechanischen Baugruppe sind, die innerhalb eines Kardanrahmens 15 um eine erste Kardanachse 10 und zusammen mit diesen um eine zweite Kardanachse 11 Winkel bewegungen ausüben kann.Description of Fig. 1 A free gyro 1 equipped with two Measuring axes 2 and 3, together with a rotational speed sensor 4, is arranged in such a way that that both are components of a mechanical assembly within a cardan frame 15 about a first cardan axis 10 and together with this about a second cardan axis Can exercise 11 angular movements.
Da der Schwerpunkt dieser Baugruppe unterhalb des Schnittpunktes der beiden Kardanachsen 10 und 11 liegt. stellt diese ein Pendel dar. dessen Längsachse 5 in eincr stationären Uiigebung das Lot darstellt.Since the focus of this assembly is below the intersection of the two cardan axles 10 and 11 is located. this represents a pendulum. Its longitudinal axis 5 represents the perpendicular in a stationary exercise.
Die Anordnung des freien Kreisels 1 ist so gewählt. daß seine Drallachse identisch niit der Pendellängsachse 5 ist und seine Meßachsen 2 und 3 SOlilit senkrecht in einer Ebenc auf dieser stehen.The arrangement of the free gyro 1 is chosen. that its twist axis is identical to the pendulum longitudinal axis 5 and its measuring axes 2 and 3 are perpendicular stand in one plane on this.
Die beiden Meßachsen werden dargestellt durch je ein Abgriffelement 6 und 7. Sie stehen, in einer Ebene liegend, senkrecht aufeinander undsind in der Lage, die Stellung des Kreiselrotors, bezogen auf seine Drallachse, abzutasten.The two measuring axes are each represented by a pick-up element 6 and 7. They are lying in one plane, perpendicular to one another and are in the Able to scan the position of the gyro rotor in relation to its spin axis.
Über ebenfalls in den Meßachsen angeordnete Führmotoren 6 und 7 ist es möglich. Momente auf den Kreiselmotor auszuüben und ihn z.B. in seiner Nullage zu fesseln.About guide motors 6 and 7 also arranged in the measuring axes it possible. To exert moments on the centrifugal motor and put it in its zero position, for example to captivate.
Die Nullage ist dann gegeben, wenn die Figurenachse des Kreisels mit der Drallachse übereinstimmt.The zero position is given when the figure axis of the gyro with coincides with the twist axis.
Der Drehgeschwindigkeitssensor 4, z.B. ein Wendekreisel bekannter Bauart. ist am unteren Ende des Pendels angeordnet. Seine Meßachse fällt mit der Pendellängsachse zusammen oder ist parallel zu dieser. Er ist somit in der Lage, Drehbewegungen um die Pendellängsachse zu sensieren.The rotational speed sensor 4, e.g., a rate gyro, is known Design type. is located at the lower end of the pendulum. Its measuring axis coincides with the Pendulum longitudinal axis together or is parallel to this. He is thus able to To sense rotary movements around the longitudinal axis of the pendulum.
Ebenfalls am unteren Ende des Pendels ist, über drei Speichen 8, 8 und,8" befestigt, eine Kugelschale 9 angeordnet, deren geonietrischer Nlittelpunkt mit dem Schnittpunkt der beiden Kardanachsen 10 und 11 zusammenfällt.Also at the bottom of the pendulum is, over three spokes 8, 8 and, 8 "attached, a spherical shell 9 is arranged, the geonietrischer center point of which coincides with the intersection of the two cardan axes 10 and 11.
Zusammen illit einem auf dem fahrzeugfesten Teil 12 des Gerätes angeordneten Magnet 13 ergibt die Kugelschale eine Wirbelstromdämpfung, die die Bewegungen des Pendels um die Kardanachsen 10 und 11 dämpft.Together with one arranged on the part 12 of the device that is fixed to the vehicle Magnet 13 gives the spherical shell an eddy current damping, which the movements of the Pendulum around the cardan axles 10 and 11 dampens.
In den Kardanachsen sind Winkelmeßelemente 17 und 18 angeordnet, die eine Verdrehung der inneren Kardanachse 10 gegenüber dem Kardanrahiiien 15 und eine Verdrehung des Kardanrahrnens 15 gegenüber dein fahrzeugfesten Teil 21 messen.In the cardan axes angle measuring elements 17 and 18 are arranged, the a rotation of the inner cardan axis 10 relative to the Kardanrahiiien 15 and a Measure the rotation of the cardan frame 15 with respect to the part 21 fixed to the vehicle.
Wird das Gerät auf einem Fahizeug so angeordnet, daß die Fahrzeuglängsachse 14 zur äußeren oder inneren Kardanachse 11 parallel Liegt. so kann mit diesen Winkelmeßelenienten eine Neigung des Fahrzeuges urn seine Längs-und Querachse im Stillstand ermittelt werden.If the device is arranged on a vehicle so that the vehicle's longitudinal axis 14 is parallel to the outer or inner cardan axis 11. so can with this Winkelmeßelenienten determines an inclination of the vehicle about its longitudinal and transverse axis when stationary will.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei der das Gerät durch einen !xlotor 19 und ein Lager 20 um eine zur Aufstellfläche 21 senkrechte Achse verdreht werden kann. Dies ist dann nötig, wenn bestinirnte (unter B) oder C) der Stammanmeldung P 33 22 632.C beschriebene) ältere Verfahren zur Nordsuche oder eines der im folgenden beschriebenen Verfahren zur Kompensation der Drift des freien Kreisels angewendet werden. Auch hier sind gleiche Teile rnit gleichen Bezugszeichen versehen.Fig. 1 shows an arrangement in which the device by a! Xlotor 19 and a bearing 20 are rotated about an axis perpendicular to the installation surface 21 can. This is necessary if certain (under B) or C) of the parent application P 33 22 632.C) older methods for searching north or one of the following described method used to compensate for the drift of the free gyro will. Here, too, the same parts are provided with the same reference numerals.
Ist eines der in der Stammanmeldung P 33 32 632.6 unter B) oder C) nach den beschriebenen Verfahren vorgesehen, so ist es sinnvoll, nur den freien Kreisel drehbar zu lagern, damit die Zuordnung der Kardanachsen zur Fahrzeuglängs- bzw. -querachse erhalten bleibt. Bei dem genannten Verfahren A) formt man die zur Fesselung des freien Kreisels benötigten Momente in elektrische Signale um und bestimmt durch deren Vergleich die Nordrichtung (Gerät fest). Gemäß Verfahren B), wie in Figur 1 dieser Anmeldung gezeigt ist, ist entweder das gesamte Gerät oder nur der freie Kreisel drehbar gelagert. Dreht man das Gerät bzw. den Kreisel so lange, bis in einer der Messachsen das zur Fesselung benötigte Moment ein Maximum und das Fesselelement in der zweiten Messachse ein Minimum erreicht, so entspricht die Lage der zuerst genannten Messachse der Nord-Süd-Richtung (Gerät auf bestimmte Stellen gedreht). Bei einem weiterhin beschriebenen Verfahren C) wird im übrigen das gesamte Gerät oder nur der freie Kreisel kontinuierlicti mit konstanter Geschwindigkeit gedreht.Is one of the in the parent application P 33 32 632.6 under B) or C) provided according to the method described, it makes sense to only use the free Rotatable gyroscope so that the assignment of the cardan axles to the vehicle's longitudinal or transverse axis is retained. In the process A) mentioned, one forms the to Shackling of the free gyroscope required moments in electrical signals around and determined by comparing them the north direction (device fixed). According to method B), as in Figure 1 of this application is shown either the entire device or just the free rotatable rotatable bearings. If you turn the device or the gyro until in one of the measuring axes the torque required for restraint is a maximum and the restraint element reaches a minimum in the second measuring axis, the position corresponds to the first called measuring axis of the north-south direction (device rotated to certain points). In the case of a method C), which is also described, the entire device is also used or only the free top rotated continuously at constant speed.
Der Verlauf der zur Fesselung des freien Kreisels benötigten Momente entspricht einer Sinusfunktion, wobei die aus diesen Momenten gewonnenen Signale aus den beiden Messactisen urn 90 ° verschoben sind und zur Ermittlung der Nordrichtung herangezogen werden können. Das Verfahren gemäß A) entspricht im wesentlichen strap-down-Plattformen, wie sie in Land-, Luft- und \8lasserfahrzeugen angewendet werden. Als Sensoren werden dabei drei Drehgeschwindigkeitssensoren und drei Beschleunigungsmesser benötigt. Der Messbereich dieser Sensoren muß im gesamten Dynamikbereich eine ausreictiend hohe Genauigkeit aufweisen.The course of the moments required to restrain the free top corresponds to a sine function, with the signals obtained from these moments are shifted by 90 ° from the two measuring axes and to determine the north direction can be used. The method according to A) essentially corresponds to strap-down platforms, as used in land, air and water vehicles. As sensors are requires three rotational speed sensors and three accelerometers. The measuring range of these sensors must be sufficient in the entire dynamic range have high accuracy.
Aufgrund der gewählten Pendel anordnung des vorgeschlagenen Systemes kann auf zwei Beschleunigungsmesser verzichtet werden. Die Pendelaufhängung in Verbindung rnit einer geeigneten Dämpfung führt zu einer }Reduzierung des Dynamikbereiches der Drehgeschwindigkeitssensoren. Due to the chosen pendulum arrangement of the proposed system eliminates the need for two accelerometers. The pendulum suspension in connection With a suitable damping leads to a reduction of the dynamic range of the rotation speed sensors.
Dies führt zu einer kostengünstigen Lösung. This leads to an inexpensive solution.
Funktionsbeschreibung anhand der Fig. 2 und 3 Auf einem bewegten Fahrzeug können die Meßachsen der Kreisel zum Navigationsrahmen (Lot, Ost, Nord) durch die Eulerwinkel beschrieben werden (Fig. Functional description with reference to FIGS. 2 and 3 on a moving The vehicle can move the measuring axes of the gyroscopes to the navigation frame (perpendicular, east, north) can be described by the Euler angles (Fig.
2). 2).
Das auf die Horizontale bezogene Koordinatensystem Index ist identisch mit dem Navigations-Koordinatensystem Indexe, wenn CC = 0 ist. The index coordinate system related to the horizontal is identical with the navigation coordinate system indexes when CC = 0.
Die in den Kreiselacnsen gemessenen Winkeldrehgeschwindigkeiten enthalten
die Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit WE , der Drehgeschwindigkeit erzeugt
V durch die Fahrzeugbewegung auf der Erdoberfläche R b und der Fahrzeugdrehgeschwindigkeit#F
Durch die gewählte Pendel anordnung sind die Winkel # und γ klein und können
somit vernachlässigt werden. Wenn sich das Fahrzeug nicht bewegt, können die in
den beiden Meßachsen des freien Kreisels gemessenen Winkeldrehgeschwindigkeiten
wie folgt beschrieben werden: #ys = #E . cos (# ) sin (α) (1) #zs = #E . cos
(#) cos (α), (2) woraus der Winkel zwischen Nord und der Fahrzeug längsachse
(Kurs) errechnet werden kann.
Für höhere Winkeldrehgeschwindigkeiten ist dies nicht akzeptabel, so daß ein weiteres Sensorsignal benötigt wird, das in der Lage ist, in diesem Zeitraum eine ausreichend genaue Änderung des Kurses a α zu ermitteln.For higher angular rotation speeds this is not acceptable, so that a further sensor signal is required, which is able in this period of time to determine a sufficiently precise change in the course a α.
Hierfür ist ein weiterer Drehgeschwindigkeitssensor, wie z. B. ein Wendekreisel, erforderlich.For this purpose, another rotational speed sensor, such as. B. a Rate gyro, required.
Das integrierte Signal dieses Sensors wird genutzt. um die Kursänderung im Zeitintervall #t zu ermitteln. The integrated signal of this sensor is used. to determine the course change in the time interval #t.
Der Drehratensensor mißt außer dem gewünschten #p die vertikale Komponente der Erdrate und die Fahrtkornponente des Fahrzeuges.In addition to the desired #p, the yaw rate sensor measures the vertical component the earth rate and the travel component of the vehicle.
Diese Größen sind mathematisch darstellbar und somit kompensierbar.These quantities can be represented mathematically and thus compensated.
αi ergibt somit den jeweils augenblicklichen Kurswert des Fahrzeuges. αi thus gives the current course value of the vehicle.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Möglichkeit, aus (tell beiden Kreiselsignalen Ein freier Kreisel, z. B. ein dynamisch abgestimmter Kreisel (DAK), dessen Drallachse vertikal angeordnet ist, wird über eine Fesselelektronik 23 in beiden Meßachsen in der Nul Iposition gehalten. Der Kreisel wird somit gezwungen. der Horizontal-Komponente der Erdrotation zu folgen.Fig. 3 shows schematically a possibility from (tell both gyro signals A free top, e.g. B. a dynamically tuned gyro (DAK), whose spin axis is arranged vertically, via an electronic system 23 in both measuring axes held in the zero position. The top is thus forced. the horizontal component to follow the rotation of the earth.
Die hierzu benötigten Momente sind proportional zu #ys und WeS Aus diesen beiden Werten wirdot; durch einen Rechner 25 errechnet.The torques required for this are proportional to #ys and WeS Aus these two values will be dead; calculated by a computer 25.
Dieses physikalische Prinzip ist bekannt und gehört zu den Grundlagen der Inertial-Navigation.This physical principle is known and is one of the basics the inertial navigation.
Die Signale WS und S sind aufgrund der Fahrzeugbewegungen mit höherfrequenten Signalen überlagert, die sich für die Berechnung des Kurswinkels störend auswirken. Aus diesem Grunde ist ein Filter 26 vorgesehen.The signals WS and S are due to the vehicle movements with higher frequencies Superimposed on signals that interfere with the calculation of the course angle. For this reason a filter 26 is provided.
Diese Anordnung eignet sich nur für stationäre Anwendungen, da dieses Prinzip nicht in der Lage ist, Drehgeschwindigkeiten, wie sie bei bewegten Fahrzeugen auftreten, zu sensieren.This arrangement is only suitable for stationary applications, as this Principle is not able to achieve rotational speeds like those of moving vehicles occur to sensation.
Um dies zu realisieren, wird ein weiterer Drehgeschwindigkeitssensor 24 vorgesehen, der verzögerungsfrei diese Winkelbewegungen erfassen kann.To realize this, another rotational speed sensor is used 24 is provided, which can detect these angular movements without delay.
Wie in Figur 3 dargestellt, wird die Fahrzeugdrehgeschwindigkeit durch einen Drehratensensor 24 gemessen und ein der Drehgeschwindigkeit proportionales Signal #F mit einer Eckfrequenz K 1 zur Verfügung gestellt.As shown in Figure 3, the vehicle turning speed is determined by a rotation rate sensor 24 measured and one proportional to the rotation speed Signal #F provided with a corner frequency K 1.
Dieses Signal wird in dargestellter Weise dem Signal , zuaddiert und ergibt mit ot i den augenblicklichen Kurswinkel.This signal is added to the signal, and in the manner shown gives the current course angle with ot i.
Hierbei ist K1 so zu wählen, daß die benötigten Winkelwerte ausreichend schnell angeboten werden können.Here, K1 is to be selected so that the required angle values are sufficient can be offered quickly.
Fig. 4 zeigt die Frequenzgänge des vorgeschlagenen Systems a: zeigt den Frequenzgang des Kurssignals, ermittelt aus den Fesselmomenten des DAK's, b: zeigt den Frequenzgang des Drehgeschwindigkeitssignals, erzeugt durch den Drehgeschwindigkeitssensor, c: zeigt den Frequenzgang des Kurssignals zur Fahrzeugdrehgeschwindigkeit d: zeigt die Kennlinie des Kurssignals zur integrierten Drehgeschwindigkeit des Fahrzeuges, e: zeigt den Frequenzgang der Summe der aus beiden Sensoren ermittelten Signale. Fig. 4 shows the frequency responses of the proposed system a: shows the frequency response of the course signal, determined from the bondage moments of the DAK, b: shows the frequency response of the rotational speed signal generated by the rotational speed sensor, c: shows the frequency response of the course signal to the vehicle rotational speed d: shows the characteristic curve of the course signal for the integrated rotational speed of the vehicle, e: shows the frequency response of the sum of the signals determined by both sensors.
Ermittlung des Horizontes Das vorgeschlagene System ist mit zusätzlichen Winkelmeßelementen in den Kardanachsen der Pendellagerung (Fig. 1) in der Lage, neben dem Kurswinkel auch Winkelbewegungen um die Fahrzeuglängs- und -querachse zu ermitteln. Determination of the horizon The proposed system is with additional Angle measuring elements in the cardan axes of the self-aligning bearing (Fig. 1) are able to In addition to the heading angle, there are also angular movements around the vehicle's longitudinal and transverse axis to investigate.
Diese Winkelmeßelemente 17, 18 ermitteln den WinkelK und YK zwischen Fahrzeug und Pendel. Dieser Wert, entsprechend gefiltert, stellt den Horizontwinkel in der jeweiligen Fahrzeugachse dar. Die Güte dieser Information ist abhängig von der Genauigkeit der Pendel lagerungen und der Winkelmeßelemente. These angle measuring elements 17, 18 determine the angle K and YK between Vehicle and pendulum. This value, filtered accordingly, represents the horizon angle in the respective vehicle axle. The quality of this information depends on the accuracy of the pendulum bearings and the angle measuring elements.
Wegen der benötigten Zeitkonstanten der Filternetzwerke stellt dieses Signal nicht den jeweiligen augenblicklichen Winkelwert dar. Um diesen zu erhalten, ist eine Verknüpfung mit den aus dem gefesselten Kreisel gewonnenen Drehgeschwindigkeitssigna len erforderlich. Because of the time constants required by the filter networks, this Signal does not represent the respective current angle value. To obtain this, is a link with the rotational speed signals obtained from the tied gyroscope len required.
Die aus den Winkelmeßelementen 17 und 18 der Kardanmeßachsen des Peridcls gewonnenen Signale e K und γ K werden über eine Schleif, besteheiid aus K4 und 1/S, gefiltert.The from the Winkelmeßelemente 17 and 18 of the Kardanmeßachsen of the Peridcls The signals e K and γ K obtained are transmitted via a loop consisting of K4 and 1 / S, filtered.
Wie schon bei der Ermittlung des Kurses beschrieben, wird ein aus den Meßachsen des DAK s (freier Kreisel) gewonnenes gefiltertes Drehgeschwindigkeitssignal / und 9 eingespeist.As already described when determining the course, on becomes off filtered rotational speed signal obtained from the measuring axes of the DAK s (free gyro) / and 9 fed in.
Es ergeben sich die gleichen Frequenzgänge wie bei der Kursermittlung (Fig. 4).The same frequency responses result as when determining the course (Fig. 4).
Zur Fehlerkompensation Um für das vorgeschlagene System kostengünstige freie Kreisel (z.B. DAK) anwenden zu können, ist die Korrektur der Kreiseldrift erforderlich.To compensate for errors To be inexpensive for the proposed system To be able to use free gyroscopes (e.g. DAK) is the correction of the gyro drift necessary.
Dies kann wie folgt durchgeführt werden.: Bei Messungen der Fesselmomente in zwei um 180 ° verschwenkten Azimutlagen läßt sich die Kreiseidrift ermitteln. Dieses Verfahren ist bekannt und wird zur Prüfung von Kreiselgeräten benutzt.This can be done as follows: When measuring the bondage moments The circular drift can be determined in two azimuth positions pivoted by 180 °. This method is known and is used to test gyroscopes.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Einrichtung vorgesehen, die es gestattet, den Kompaß um 180 ° zu verdrehen, um die o.a. Prüfmethode anzuwenden.As shown in Fig. 1, a device is provided that it allows you to turn the compass by 180 ° in order to use the above test method.
Dieses kann manuell oder automatiosch sowohl stationär als auch auf einem sich bewegenden Fahrzeug durchgeführt werden.This can be done manually or automatically, both stationary and on carried out on a moving vehicle.
In diesem Falle muß die Drehung mit einer bekannten Geschwindigkeit durchgeführt werden und kann somit rechnerisch kompensiert werden.In this case the rotation must be at a known speed can be carried out and can thus be compensated arithmetically.
Wenn das Fahrzeug linear beschleunigt, so geht die pendelnd aufgehängte Anordnung in das Schein lot.When the vehicle accelerates linearly, the pendulum-suspended one goes Arrangement in the note lot.
Bei kleinem Winkel gilt die Beziehung Die bei Kreisfahrten auftretende Zentrifugalbeschleunigung bewirkt eine Auslenkung um die andere Achse. The relationship applies to a small angle The centrifugal acceleration that occurs when driving in circles causes a deflection around the other axis.
Über die Fahrtmeßanlage wird die Vortriebsgeschwindigkeit ermittelt. aus der die lineare Beschleunigung errechnet werden kann.The advance speed is determined via the trip measuring system. from which the linear acceleration can be calculated.
Die Drehgeschwindigkeit WF. wird durch den Wendekreisel des vorgeschlagenen Systems gemessen.The speed of rotation WF. is proposed by the rate gyro System measured.
Damit können beide Größen nach deri Gleichungen @ 12 und 13) errechnet und durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden.This means that both quantities can be calculated according to the equations @ 12 and 13) and compensated for by suitable measures.
Der durch die Eigenfahrt des Fahrzeuges verursachte Fahrtfehler der bei Kreiselkompassen physikalisch bedingt ist wird durch Fahrtgeschwindigkeit, die 7eographische Breite und den Kurs bestimmt und läßt sich somit ebenfalls errechnen und kompensieren.The driving error caused by the vehicle driving itself with gyro compasses is physically determined by the speed of travel The geographical latitude and the course are determined and can therefore also be calculated and compensate.
Die Tangensfunktion zeigt in den Bereichen bei #/2 und 2 Unstetigkeiten.The tangent function shows discontinuities in the areas at # / 2 and 2.
Entsprechendes gilt für die cot - Funktion beiα= 0 und 8 Da die Gleichung (8) die Tangens-Funktion beinhaltet. treten bei begrenzter Auflösung rechnerische Fehler auf.The same applies to the cot function at α = 0 and 8 Da equation (8) contains the tangent function. occur with limited resolution arithmetic errors.
Um dies zu vermeiden, wird der gesamte Bereich 0#α#2# in acht Segmente aufgeteilt. (Fig. 10 Stammanmeldung) Die Bereichsgrenzen liegen für tan α und cot CL bei f 1.To avoid this, the entire area becomes 0 # α # 2 # in eight Segments divided. (Fig. 10 parent application) The range limits are for tan α and cot CL at f 1.
Darnit braucht α nur in den Bereichen von + 450 aus dem Tangens bzw.Hence, α only needs in the areas of + 450 from the tangent respectively.
Cotangens errechnet zu werden.Cotangent to be calculated.
Die Segmente sind angeordnet wie in Fig. 10 der Stammanmeldung gezeigt und durch Vergleich von ys und aus definiert.The segments are arranged as shown in Figure 10 of the parent application and defined by comparing ys and off.
Ermittlung von Vertikalbewegung Bei Anwendungen auf Schiffen ist neben der Ermittlung der Kurs-, Roll- und Stanipfwinkel ebenfalls die Hubbewegung von Wichtigkeit (z.B. Hubschrauberlandungen). Determination of vertical movement For applications on ships in addition to the determination of the course, roll and stand angles, also the lifting movement of importance (e.g. helicopter landings).
Für diese Anwendung wird der Erfindungsgesgegenstand mit einem Beschleunigungsmesser 29 (Fig. 1) bestückt, dessen Meßachse (30) mit der Pendelachse 5 zusammenfällt oder parallel angeordnet ist. For this application the subject of the invention is provided with an accelerometer 29 (Fig. 1) equipped, the measuring axis (30) coincides with the pendulum axis 5 or is arranged in parallel.
Gemäß Figur 5 wird die Hubbeschleunigung b Hub in einer Auswerteelektronik (31) innerhalb eines begrenzten Frequenzbereiches zweimal integriert und so die Hubgeschwindigkeit V Hub und der Hubweg Weg Hub ermittelt. Bedingt durch die einstellbare Pendeldämpfung und eine Aufstellung der Anlage in der Nähe des Schiffsdrehpunktes kann die Beeinflussung durch das Scheinlot vernachlässigt werden. According to FIG. 5, the stroke acceleration is b stroke in an electronic evaluation system (31) integrated twice within a limited frequency range and so the Stroke speed V stroke and the stroke distance stroke are determined. Due to the adjustable Pendulum damping and an installation of the system in the vicinity of the ship's pivot point the influence of the dummy solder can be neglected.
In Figur 6 ist eine Anordnung zur Ermittlung der drei-achsigen Linearbewegung dargestellt. Durch diese Anordnung entfallen Einschränkungen in Bezug auf den Aufstellort. Dies wird im folgenden näher erläutert: Die zur Figur @ bekannten Drehgeschwindigkeitssignale # und # repräys sensieren die Drehgeschwindigkeiten es und ç s Das Integral dieser Drehgeschwindigkeiten ergibt die Winkelbewegung des Pendels is und γs . Da das Pendel im zeitlichen Mittel senkrecht hängt, beziehen sich die Winkel und γs auf die Senkrechte und stellen den jeweiligen Scheinlotwinkel dar und sind damit proportional zu den Beschleunigungen in Y - und in z - Richtung des Systems. FIG. 6 shows an arrangement for determining the three-axis linear movement shown. This arrangement means that there are no restrictions with regard to the installation site. This is explained in more detail below: The rotational speed signals known from FIG. @ # and # repräys sense the rotational speeds es and ç s the integral of these Rotational speeds result in the angular movement of the pendulum is and γs. There the pendulum hangs vertically on average over time, the angles and γs relate on the vertical and represent the respective apparent perpendicular angle and are thus proportional to the accelerations in the Y and in the z direction of the system.
Durch die Tatsache, daß das Pendel im zeitlichen Mittel senkrecht hängt, ist es erlaubtl auch die Integration der Signale #s und γs mit Hilfe einer rückgeführten Integration (32), d.h. oberhalb einer durch KG definierten Eck frequenz durchzuführen.Due to the fact that the pendulum is vertical on average over time depends, it is also allowed to integrate the signals #s and γs with the help a traced integration (32), i.e. above a corner defined by KG frequency to perform.
Die Beschleunigung entlang der Pendelachse erfolgt mit Hilfe des Beschleunigungsmessers (29) und ergibt das Signal b In der Koordinatentransformation (33) werden die Signale γs, #s und bxs so miteinander verknüpft, daß die auf ein horizontales Koordinatensystem bezogenen Beschleunigungssignale bxH , byH und bzH entstehen.The acceleration along the pendulum axis is carried out with the aid of the accelerometer (29) and results in the signal b. In the coordinate transformation (33), the signals γs, #s and bxs linked so that the on a horizontal coordinate system related acceleration signals bxH, byH and bzH arise.
Entsprechend den in Fig. 2 vorgegebenen Koordinaten ergibt sich für die Koordinaten-Transformation folgendes Übertragungsverhalten: bxH = bxs . cosγ. cos# (1) b = b sin yH xs (2) bzH = -bxs . cosγ . sin# (3) In der Auswerteelektronik 31 werden nunmehr wie beschrieben durch Einfachunse Doppelintegration die gewünschen Lineargeschwindigkeiten VXH , VYH und VZH und die Linearbewegungen SXH , S YH und SZH ermittelt.According to the coordinates given in FIG. 2, the coordinate transformation has the following transfer behavior: bxH = bxs. cosγ. cos # (1) b = b sin yH xs (2) bzH = -bxs. cosγ. sin # (3) In the evaluation electronics 31 are now as described by means of simple double integration Linear speeds VXH, VYH and VZH and the linear movements SXH, S YH and SZH determined.
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Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843445651 DE3445651A1 (en) | 1983-06-23 | 1984-12-14 | North-determining course and position reference device for vehicles |
Applications Claiming Priority (2)
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Family Applications (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3702022A1 (en) * | 1987-01-24 | 1988-08-04 | Bodenseewerk Geraetetech | INERTIA SENSOR ARRANGEMENT |
Citations (2)
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DE2922414A1 (en) * | 1979-06-01 | 1980-12-11 | Bodenseewerk Geraetetech | COURSE LOCATION REFERENCE DEVICE |
DE2922412C2 (en) * | 1979-06-01 | 1982-03-18 | Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, 7770 Überlingen | Self-aligning course and position reference device for navigating a vehicle |
-
1984
- 1984-12-14 DE DE19843445651 patent/DE3445651A1/en active Granted
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