DE102009042517A1

DE102009042517A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Waffenstabilisierung

Info

Publication number: DE102009042517A1
Application number: DE102009042517A
Authority: DE
Inventors: Stephan Otto
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: DE102009042517B4; US20110168006A1; US8490539B2

Abstract

Das Verfahren dient zur Einstellung einer Positionierung einer Längsachse eines Waffenrohres. Ein Anstellwinkel des Waffenrohres ist von mindestens einem Stellelement veränderbar. Das Waffenrohr ist relativ zu einer Waffenhalterung in Richtung der Längsachse verschieblich angeordnet. Eine Positionierung des Waffenrohres relativ zur Waffenhalterung wird messtechnisch erfasst. Die hierbei erfassten Messwerte werden einer Steuereinrichtung zugeführt. Die Steuereinrichtung beaufschlagt das Stellelement entsprechend einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang zwischen den erfassten Messwerten und einem Eingangswert für das Stellelement. Die Vorrichtung zum Abschießen von Geschossen ist zur Anwendung des betreffenden Verfahrens ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer Positionierung einer Längsachse eines Waffenrohres, bei dem ein Anstellwinkel des Waffenrohres von mindestens einem Stellelement veränderbar ist und bei dem das Waffenrohr relativ zu einer Waffenhalterung in Richtung der Längsachse verschieblich angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zum Abschießen von Geschossen, die ein von einer Waffenhalterung geführtes Waffenrohr aufweist, das mit einer Längsachse relativ zur horizontalen Richtung von einem Stellelement mit einem Anstellwinkel positionierbar ist, sowie bei der das Waffenrohr von der Waffenhalterung in Richtung der Längsachse verschieblich gelagert ist.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen betreffen insbesondere großkalibrige Waffen, bei denen ein Rücklauf des Waffenrohres relativ zur Waffenhalterung möglich ist. Der entsprechende Rücklauf kann vor, während und nach einer Schußabgabe auftreten und führt zu Änderungen der mechanischen Systemträgheit sowie zu einer Unbalanceänderung der betreffenden Waffe relativ zum Schildzapfen. Insbesondere die rückwärtige Schwerpunktverlagerung aufgrund des Rohrrücklaufes führt zu einer vertikalen Schwenkbewegung des Waffenrohres, der durch Richtregler bzw. Stabilisierungsregler entgegengewirkt wird.
Die Änderung der Unbalance führt zusätzlich zu Momentenänderungen bzw. Kraftänderungen im Antriebsstrang für die Waffenpositionierung. Da der betreffende Antriebsstrang nur eine begrenzte Steifigkeit besitzt, führt die Änderung der Unbalance zu einer Bewegung der Waffe, die sowohl die Stabilisierungsgüte als auch die Ausrichtgenauigkeit verschlechtert.
Die Veränderung der mechanischen Trägheit führt darüber hinaus zu einer Veränderung der dynamischen Eigenschaften der Regelstrecken. Schließlich ändert sich durch die Bewegung des Waffenrohres auch die resultierende Geschwindigkeit aufgrund des Drehimpulserhaltungssatzes.
Die gemäß dem Stand der Technik verwendeten Richtregler sowie Stabilisierungsregler reagieren auf Lageabweichungen und Drehgeschwindigkeitsabweichungen des Waffenrohres, die durch die Unbalanceänderungen und/oder Trägheitsänderungen verursacht werden. Es erfolgt somit eine Ausregelung zunächst auftretender Regelabweichungen, die während des Ausregelzeitraumes zu einem Regelfehler und damit zu Ablagen führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart zu verbessern, daß auftretende Regelfehler minimiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Positionierung des Waffenrohres relativ zur Waffenhalterung meßtechnisch erfaßt wird und daß die hierbei erfaßten Meßwerte einer Steuereinrichtung zugeführt werden, die das Stellelement entsprechend einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang zwischen den erfaßten Meßwerten und einem Eingangswert für das Stellelement beaufschlagt.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß auftretende Regelabweichungen minimiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erfassung einer Positionierung des Waffenrohres relativ zur Waffenhalterung mindestens ein Sensor an eine Steuereinrichtung angeschlossen ist und daß die Steuereinrichtung das Stellelement mit einem Eingangswert beaufschlagt, der durch einen funktionalen Zusammenhang aus den erfaßten Meßwerten bestimmbar ist.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß sowohl die Unbalanceänderungen als auch die Trägheitsänderungen im Hinblick auf den dynamisch zu betrachtenden Zeitraum nur vom Rücklaufweg des Waffenrohres abhängig sind. Sowohl die Unbalance als auch die Trägheit stellen geometrische Eigenschaften dar, die unmittelbar vom Rücklaufweges des Waffenweges abhängig sind und über einen Wegaufnehmer erfaßt werden können. Zu jedem Funktionszeitpunkt sind somit die Unbalance und die Trägheit bekannt. Die Wegmessung unter Verwendung des Wegaufnehmers kann nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien erfolgen, beispielsweise mechanisch, induktiv, kapazitiv, optisch oder magnetisch.
Die konkrete Dynamik des Rücklaufes des Waffenrohres ist von einer Vielzahl von Parametern abhängig. Beispielsweise sind dies auftretender Verschleiß, die Betriebstemperatur, die Munitionstemperatur, die Rohrtemperatur und der Zündzeitpunkt. Die betreffenden Parameter beeinflussen aber lediglich die dynamischen Vorgänge bis zum Erreichen bestimmter Positionen des Rohrrücklaufes, nicht jedoch die aus einer konkret vorliegenden Rücklaufpositionierung resultierenden Änderungen der Unbalance und der Trägheit.
Bei der Durchführung einer Positionsregelung ist insbesondere daran gedacht, eine vorgebbare Positionierung der Längsachse des Waffenrohres einzustellen. Alternativ zur Einstellung der Positionierung der Längsachse relativ zur horizontalen Richtung ist es auch möglich, eine Ausrichtung nur unter Verwendung eines Sichtgerätes vorzunehmen. Gegebenenfalls erfolgt auch keine Vorgabe einer einzuhaltenden Positionierung, sondern eine Geschwindigkeitsvorgabe für die Verstellung.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips erfolgt bei schweren Waffen mit Vorlaufzündung. Generell kann eine Anwendung beispielsweise bei Kampfpanzern oder bei Haubitzen erfolgen.
Gemäß einer vereinfachten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Meßwerte ausschließlich für eine Steuerung des Stellelementes verwendet werden.
Optimierte Systemeigenschaften können dadurch erreicht werden, daß die Meßwerte sowohl für eine Vorsteuerung als auch für eine Regelung verwendet werden. Insbesondere kann auch eine Verwendung für eine Vorsteuerung als Teil einer Regelung erfolgen.
Zur Erreichung vorteilhafter dynamischer Eigenschaften trägt es ebenfalls bei, daß als Stellelement ein Elektromotor verwendet wird.
Eine nochmals verbesserte Systemeigenschaft läßt sich dadurch erreichen, daß das Stellelement als Teil einer Kaskadenregelung verwendet wird.
Bei der Verwendung von elektrischen Stellelementen erweist es sich als vorteilhaft, daß dem Stellelement als Sollwert ein Wert für das Drehmoment zugeführt wird. In der Praxis wird bevorzugt der Sollwert für einen Motorstrom vorgegeben.
Eine Minimierung auftretender Regelabweichungen wird dadurch unterstützt, daß eine Vorsteuerung hinsichtlich mindestens zweier Parameter durchgeführt wird.
Insbesondere ist daran gedacht, daß eine Vorsteuerung sowohl hinsichtlich des Momentes bzw. des Motorstromes als auch hinsichtlich der Drehzahl und der Lage durchgeführt wird.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht auf ein von einer Waffenhalterung geführtes Waffenrohr in einer Grundpositionierung,
2 die Anordnung gemäß 1 nach Durchführung eines mindestens teilweisen Rücklaufes des Waffenrohres und
3 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorlaufsteuerung mit überlagerter Kaskadenregelung.
Gemäß der Ausführungsform in 1 wird ein Waffenrohr (1) von einer Waffenhalterung (2) in Richtung einer Längsachse (3) positionierbar gelagert und geführt. Ein Schwerpunkt (4) des Waffenrohres (1) ist mit einem Abstand (5) zur Waffenhalterung (2) positioniert. Im Bereich eines einer Mündung (6) des Waffenrohres (1) abgewandten Endes des Waffenrohres (1) ist ein Verschluß (7) angeordnet.
Zur Ermittlung eines Rücklaufes des Waffenrohres (1) relativ zur Waffenhalterung (2) wird ein Sensor (8) verwendet. Der Sensor (8) kann beispielsweise einen Abstand (9) zwischen dem Verschluß (7) und der Waffenhalterung (2) erfassen. 1 zeigt zur Vervollständigung ebenfalls einen Schildzapfen (10), der im Bereich der Waffenhalterung (2) angeordnet ist.
2 zeigt die Anordnung gemäß 1 nach einem zumindest teilweisen Rücklauf des Waffenrohres (1). Es ist zu erkennen, daß sich der Abstand (5) zwischen dem Schwerpunkt (4) und der Waffenhalterung (2) verkleinert hat. In gleicher Weise hat sich der Abstand (9) zwischen der Waffenhalterung (2) und dem Verschluß (7) vergrößert. Der konkret vorliegende Rohrrücklauf wird vom Sensor (8) erfaßt.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Steuereinrichtung (11), die auf ein Stellelement (12) einwirkt, das zur Positionierung des Waffenrohres (1) verwendet wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist insbesondere daran gedacht, das Stellelement (12) als einen Elektromotor auszubilden, der als Eingangswert einen Sollstrom bzw. ein Sollmoment erhält. Ausgangsgrößen des Stellelementes (12) sind hierbei ein Drehzahl-Istwert und eine Positions-Istwert, die über nicht dargestellte Sensoren erfaßt werden können.
Bei der dargestellten Kaskadenregelung wird für die Position ein Sollwert vorgegeben und mit einem Istwert verglichen. Die entsprechende Regelabweichung wird einem Nachführregler (13) zugeführt. Ausgangsgröße des Nachführreglers (13) ist ein Sollwert für die Drehzahl. Eine Regeldifferenz zwischen dem Sollwert der Drehzahl und dem Istwert der Drehzahl wird dem Eingang eines Drehzahlreglers (14) zugeführt, dessen Ausgangswert der Sollstrom bzw. das Sollmoment für das Stellglied (12) ist. Die über den Sensor (8) erfaßte Rücklaufpositionierung des Waffenrohres (1) wird zur Durchführung einer Vorsteuerung verwendet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Vorsteuerung hinsichtlich der Unbalance und der Trägheit. Es sind hierzu eine Kennlinie (15) für die Unbalance und eine Kennlinie (16) für die Trägheit implementiert.
Die Kennlinien (15, 16) können beispielsweise als Tabellen abgespeichert sein, es ist aber auch möglich, unter Verwendung geeigneter Prozessoren eine funktionelle Berechnung durchzuführen. Ein von der Kennlinie (16) für die Trägheit bereitgestellter Ausgangswert dient dazu, Reglerparameter des Nachführreglers (13) und/oder des Drehzahlreglers (14) zu verändern. Es kann hierdurch die Dynamik des Regelkreises trotz sich ändernder Systemparameter gleichgehalten werden. Bei großen Änderungen können Systemunstabilitäten vermieden werden.
Der von der Kennlinie (15) für die Unbalance bereitgestellte Ausgangswert wird unter Verwendung von Übertragungsfunktionen U1, U2 und U3 den jeweiligen Differenzbildungen für die Regelabweichungen zugeführt und verursacht somit eine Vorsteuerung. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Übertragungsfunktion U1 der Vorsteuerung für die Position, die Übertragungsfunktion U2 der Vorsteuerung für die Drehzahl und die Übertragungsfunktion U3 der Vorsteuerung für das Moment bzw. den Strom des Antriebsmotors verwendet.
Insbesondere bei einem bewegten Fahrzeug erweist es sich als zweckmäßig, den Elevationswinkel der Längsachse (3) relativ zum Fahrzeug und den Fahrzeugwinkel des Fahrzeuges relativ zur horizontalen Richtung zu berücksichtigen. Die entsprechende Kombination der jeweiligen Werte ergibt die Waffenerhöhung Φ (Phi), aus der unter Berücksichtigung des Ausgangswertes der Kennlinie (15) für die Umbalance der Kosinus (Φ) berechnet wird. Dieser Wert ist dann der Eingangswert für die Übertragungsfunktionen U1, U2 und U3.
Generell ist es auch denkbar, die unter Verwendung des Sensors (8) ermittelte Trägheit und die Unbalance in einer Reglerstruktur zu verwenden, die nicht über eine Nachführung verfügt. Des weiteren ist es gemäß einer Variante des Regelungskonzeptes möglich, einen Zustandsregler zu entwerfen, der die Trägheit und die Unbalance als Eingangsgröße mit berücksichtigt.
Schließlich ist es auch denkbar, die in 3 veranschaulichte Vorsteuerung ohne Anpassung der Dynamik der Regler zu implementieren. Gleichfalls ist es denkbar, nur eine Anpassung der Dynamik der Regler vorzunehmen, ohne auch die Vorsteuerung zu implementieren. Die dargestellte Kombination beider Maßnahmen führt aber zu deutlichen Vorteilen.

Claims

Verfahren zur Einstellung einer Positionierung einer Längsachse eines Waffenrohres, bei dem ein Anstellwinkel des Waffenrohres von mindestens einem Stellelement veränderbar ist und bei dem das Waffenrohr relativ zu einer Waffenhalterung in Richtung der Längsachse verschieblich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Positionierung des Waffenrohres (1) relativ zur Waffenhalterung (2) meßtechnisch erfaßt wird und daß die hierbei erfaßten Meßwerte einer Steuereinrichtung (11) zugeführt werden, die das Stellelement (12) entsprechend einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang zwischen den erfaßten Meßwerten und einem Eingangswert für das Stellelement (12) beaufschlagt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte ausschließlich für eine Steuerung des Stellelementes verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte für eine Vorsteuerung als Teil einer Regelung verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellelement ein Elektromotor verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (12) als Teil einer Kaskadenregelung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stellelement (12) als Sollwert ein Wert für einen Motorstrom zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorsteuerung hinsichtlich zweier Parameter durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorsteuerung sowohl hinsichtlich des Motorstromes als auch hinsichtlich der Drehzahl und der Lage durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Abschießen von Geschossen, die ein von einer Waffenhalterung geführtes Waffenrohr aufweist, das mit einer Längsachse relativ zur horizontalen Richtung von einem Stellelement mit einem Anstellwinkel positionierbar ist, sowie bei der das Waffenrohr von der Waffenhalterung in Richtung der Längsachse verschieblich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung einer Positionierung des Waffenrohres (1) relativ zur Waffenhalterung (2) mindestens ein Sensor (8) an eine Steuereinrichtung (11) angeschlossen ist und daß die Steuereinrichtung (11) das Stellelement (12) mit einem Eingangswert beaufschlagt, der durch einen funktionalen Zusammenhang aus den erfaßten Meßwerten bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (8) ausschließlich an eine Steuerung für das Stellelement (12) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (8) sowohl an eine Vorsteuerung als auch an eine überlagerte Regelung angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (12) als ein Elektromotor ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (11) eine Kaskadenregelung umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (12) als Eingangswert einen momenten Sollwert aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerung zur Generierung von Vorsteuerwerten für mindestens zwei unterschiedliche Parameter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuerung zur Generierung von Vorsteuerwerten sowohl für das Moment als auch für die Drehzahl und die Lage ausgebildet ist.