-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem lagestabilisierten Trägersystem für Luftbildkameras und analoge Einrichtungen, die beispielsweise in Flugzeugen zur Luftbildaufnahme oder in Bodenfahrzeugen mit Antennensystemen zur Funkübertragung eine von der Eigenbewegung der Fahrzeuge entkoppelte stabile horizontale Lage für die genannten Geräte gewährleisten.
-
Für diese Anwendungsfälle sind bereits eine Vielzahl technischer Lösungen zur Stabilisierung bekannt geworden und wurden mehrfach auch Teil von Standardausrüstungen. Darunter befinden sich solche Vorrichtungen, die kardanische Aufhängungen für die Geräteplattformen verwenden, um darauf angeordnete Geräte in horizontaler Aufstellung zu halten. Außerdem benutzen zum Beispiel die in
DE 69315102 T2 oder
DE 3516805 C1 offenbarten Anordnungen auch Antriebssysteme zur Unterstützung der Stabilisierungsbewegungen, die von Gyroskopen gesteuert werden. Weiterhin beschreibt eine Lösung nach
WO 2008/128491 eine kreiselstabilisierte Plattform zur Reduzierung von durch Luftturbulenzen verursachte störende Kamerabewegungen, welche zugleich eine Kompensation der durch die Vorwärtsbewegung des Flugzeuges verursachten Bildwanderung gestattet. Allerdings besitzen die bekanntgewordenen kardanischen Vorrichtungen vielfach eine nicht ausreichende Stabilisierungsgenauigkeit, die vor allem auf die zu große Trägheit des Gesamtsystems oder zu geringe Steifigkeit, insbesondere der Antriebs- und Getriebeelemente, zurückzuführen ist. Zu große Geräteabmessungen und ein nicht unerhebliches Gewicht können die Anwendungsmöglichkeiten zusätzlich einschränken.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Horizontalstabilisierung eines Trägersystems, beispielsweise für Luftbildkameras, zu schaffen, mit der bei einem kompakten und montagefreundlichen Aufbau des Trägers eine verbesserte Stabilisierung der Trägerplattform und damit eine exakte, von der Eigenbewegung des Fahrzeuges unbeeinflusste horizontale Geräteausrichtung erreicht werden kann. Durch die Reduzierung der Gerätemasse soll zugleich das Verhältnis zwischen der maximal möglichen Traglast zum Gesamtgewicht des Gerätes günstig beeinflusst werden. Eine einfachere Gerätewartung durch geeignete konstruktive Maßnahmen zu erreichen, ist eine weitere Aufgabe der Erfindung.
-
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit einem horizontalstabilisierten Trägersystem gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs erzielt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels sowie mehreren Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
-
die 1 in einer Prinzipskizze die erfindungsgemäße Vorrichtung mit kardanisch gelagertem Trägerringsystem und motorischer Horizontierung,
-
die 2 in einer Schnittdarstellung und teilweise schematisch das Antriebssystem mit Motor und Getriebe zur motorischen Horizontrierung des Trägerringsystems mit Kardanaußen- und Kardaninnenring,
-
die 3 in einer Seitenansicht die Bodenplatte der Vorrichtung mit dem darauf montierten kardanischen Trägerringsystem und
-
die 4 die Bodenplatte der Vorrichtung in Draufsicht (4a), in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B (4b) sowie in einer Detailansicht X (4c).
-
In 1 erfolgt die horizontale Lagestabilisierung durch die Stellbewegung eines Kardaninnenringes 1, der kardanisch in einem diesen Ring konzentrisch umgebenden Kardanaußenring 2, dabei um eine Drehachse X drehend, aufgehängt ist. In gleicher Weise werden Verstellbewegungen durch den in einer kardanischen Lagerung am Gerätegehäuse 3 aufgehängten Kardanaußenring 2 um eine Drehachse Y ausgeführt, die senkrecht zur Drehachse X orientiert ist. Der Kardaninnenring trägt eine hier nicht dargestellte Geräteträgerplatte mit den darauf angeordneten, horizontal zu positionierenden optischen oder elektronischen Ausrüstungen.
-
Als Antrieb für jeden Kardanring dienen Antriebseinheiten 4 und 5. In einer kompakten Bauausführung umfassen diese die Antriebsmotoren 6 bzw. 6', damit gekoppelte Getriebe 7 bzw. 7' sowie Regeleinrichtungen 8 bzw. 8'. Durch eine direkte mechanische Kopplung der Getriebe-Abtriebswellen mit den Achsen X, Y des Kardaninnen- bzw. Kardanaußenringes lässt sich das Trägerringsystem sehr stabil positionieren und somit dessen Azimut entsprechend dem jeweiligen Sollwert präzise ausrichten.
-
Die im Ausführungsbeispiel verwendeten Antriebseinheiten mit den Antriebsmotoren 6, 6' und den Getrieben 7, 7' zeigt in ihrem grundsätzlichen Aufbau und ihrem Zusammenwirken die 2. Eine Motorwelle 12 überträgt jeweils ihr Drehmoment auf einen mechanisch fest mit ihr gekoppelten Wave Generator 9 eines an sich bekannten Präzisionsgetriebes der Firma Harmonic Drive®, der das Antriebselement des Getriebes bildet. Mit seinem elliptisch verformten Grundkörper und aufgezogenem Kugellager 13 befindet er sich im montierten Getriebe in Eingriff mit einem weiteren, flexiblen Getriebebauteil mit Außenverzahnung, dem Flex Spline 10 und bewirkt dadurch dessen umlaufend elliptische Verformung. Ein weiteres Getriebebauteil, Circular Spline 11, ist als starrer Ring mit Innenver-zahnung von geringerer Zähnezahl ausgeführt, welche wiederum in permanent umlaufendem Eingriff mit der Außenverzahnung des Flex Spline steht. Die zunächst kreisförmige Bewegung des Antriebs wird also vom Getriebe in eine elliptische Bewegung umgeformt. Wegen der Differenz in der Zahl der Zähne kommt es bei sich drehendem Wave Generator 9 zu einer Relativbewegung zwischen dem mit einem Stehlager 20 fest verbundenen und als Drehmomentstütze dienenden Circular Spline 11 sowie dem somit als Getriebeabtrieb wirksam werdenden Flex Spline 10. Zwischen dem Wave Generator und dem Flex Spline besteht Reibschluss. Das ist notwendig, da die Drehzahl des Wave Generator wesentlich höher als die des Flex Spline ist. Je nach der Große der Getriebeübersetzung ist die Verzahnung, welche den Flex Spline mit dem Circular Spline verbindet, gröber oder feiner ausgelegt. Bei der im Ausführungsbeispiel verwendeten Übersetzung von 1:160 ist die Verzahnung sehr fein. Da der Flex Spline durch den eingeschobenen Wave Generator vorgespannt ist, wird eine spielfreie Verzahnung zum Circular Spline erzeugt, so dass auch das Getriebe als Einheit quasi spielfrei ist und lediglich die Verformung (Torsion) des Flex Spline durch das Abtriebsdrehmoment eine Fehlerquelle für eine nicht 1:1-Übertragung der Drehbewegung der Motorwelle auf die Abtriebswelle 14 darstellt. Dieser Effekt ist dann besonders wirksam, wenn zur Positionsbestimmung der Abtriebswelle ein Encoder (Winkelmesssystem) zur Anwendung gelangt, welcher direkt mit der Motorwelle verbunden ist. Ein weiterer zu beachtender Effekt wird durch das mögliche Aufschwingen des anzutreibenden kardanischen Trägerringsystems hervorgerufen, wenn diesem kurzzeitig eine oszillierende Bewegung abverlangt wird, da das Getriebe innerhalb der Regelstrecke als federndes System anzusehen ist. Es gilt also, das System so auszulegen, dass die Federrate möglichst hoch ist, damit die Regelung mit einem hohen Verstärkungsfaktor betrieben werden kann. Mittels des Verstärkungsfaktors kann dann auf die Reaktionszeit Einfluss genommen werden, um die Ausgleichbewegung des stabilisierenden Trägerringystems mit der notwendigen Geschwindigkeit bei ausreichender Genauigkeit zu erzeugen.
-
Zur optimalen Drehmomentübertragung von der Welle des Motors 6 bzw. 6' auf die Abtriebswelle 14 des Getriebes 7 bzw. 7' wird eine entsprechend verwindungssteife, in engen Form- und Lagetoleranzen gefertigte Anschlusskonstruktion verwendet, bei der besonderes Augenmerk auf die Koaxialität der Getriebebauelemente und der zueinander rechtwinkligen Anordnung der Teilbaugruppen von Antrieb zu Stehlager und von Stehlager zu Abtrieb gelegt wurde. Von Bedeutung sind außerdem der minimale Platzbedarf und ein gutes Masse-Leistungsverhältnis. Das Nenn-Abtriebsmoment beträgt im Ausführungsbeispiel 67 Nm, das wiederholbare Spitzendrehmoment 176 Nm. Damit die dadurch auftretenden Kräfte abgefangen und in die Bodenplatte 16 der Trägervorrichtung (3 und 4) abgeleitet werden können, ist die das Präzisionsgetriebe aufnehmende Konstruktion entsprechend stabil zu dimensionieren. Die notwendige Stabilität und Verwindungssteife wird durch die kompakte kurze Bauweise, aber auch durch eine gezielte Materialauswahl und die Geometrie der Einzelkomponenten erreicht. Weiterhin sind sämtliche Gehäuseteile des Getriebes über zylindrische Konstruktionselemente miteinander verbunden. Ein wichtiges Element der Anschlusskonstruktion ist weiterhin das Kreuzrollenlager 15 (2), dass, in das Getriebe integriert, die Abtriebswelle 14 positioniert und sämtliche radial und axial auftretenden Kräfte sicher abfängt. Damit das Kreuzrollenlager diesen Anforderungen gerecht werden kann, ist es in eine enge Passung eingepresst und axial verspannt worden. Neben der bereits erwähnten Koaxialität der einzelnen Getriebebauelemente und deren Bedeutung für eine gleichmäßige Drehbewegung bei gleichzeitig minimaler Drehmomentwelligkeit gewährleistet das erfindungsgemäß verwendete Präzisionsgetriebe außerdem die erheblich einfachere Montage der Einzelbauteile. Ebenso kann auch deren Abdichtung gegen unerwünschte Umgebungseinflüsse, insbesondere mit einem flüssigen Dichtmittel, wesentlich leichter vorgenommen werden.
-
Die Kardanringe (3) bestehen aus einer hochfesten; feinkörnigen und spannungsarmen Aluminium-Gusslegierung. Der Kardanaußenring 2 besitzt einen Außendurchmesser von 425 mm und eine Wandstärke von 12,5 mm sowie eine Höhe von 70 mm. Die dreieckförmigen Aussparungen ermöglichen eine maximale Gewichtsreduzierung bei Erhaltung der notwendigen Festigkeit und Steifigkeit. Dass diese noch erlaubten Grenzen durch die Wahl der dargestellten Fachwerksstruktur nicht unterschritten werden, haben Simulationen in einem FEM-Programm gezeigt. Dabei beträgt das Eigengewicht des Kardanaußenringes nur noch 1,9 kg, während seine Traglast mit dem nahezu gesamten Kameragewicht ca. 75 kg beträgt und somit ein Gewichts-Leistungsverhältnis von etwa 140 vorliegt. Natürlich sind diese günstigen Leistungsparameter auch ein Resultat der geeigneten Materialwahl und der Ringfertigung aus einem Halbzeug. Der Kardaninnenring 1 weist einen Außendurchmesser von 375 mm und eine Höhe von 90 mm auf. Aufgrund des geringeren Außendurchmessers und des für die Stabilisierungsbereiche in Roll und Pitch notwendigen Überstandes zum Kardanaußenring und damit einem Höhenzuwachs von 20 mm kann die Wandstärke des Kardaninnenringes auf 10 mm reduziert werden. Er wiegt 1,5 kg und trägt eine Last von ca. 72 kg, entsprechend einem Gewicht-Leistungsverhältnis von 1:48.
-
Die zueinander um 90° versetzte Anordnung der Antriebseinheiten für den Kardanaußen- und den Kardaninnenring erfordert für die Stabilisierung in Roll und Pitch eine überlagerte Bewegung beider Kardanringe. Bezüglich der Kompensationswinkel gilt daher der Satz des Pythagoras.
-
Die notwendige Steifigkeit wird durch das Verspannen der Kardanringe untereinander erreicht. Dazu sind die Durchmessertoleranzen und die Positionen der jeweiligen Gegenlager 21 bezogen auf die Kardanantriebe so gewählt, dass die Kardanringe leicht verformt werden, also keine exakte Kreisform mehr aufweisen. Eine zusätzliche Stabilität erhält das Ringsystem durch die Montage der Trägervorrichtung auf der Bodenplatte.
-
Die Bodenplatte 16 (4a, b und c) ist aus einem Sandwich-Grundkörper aufgebaut, der aus einem Wabenkern 18 von 20 mm Dicke mit beidseitig aufgeklebten Aluminium-Deckplatten 17 von 1 mm Stärke besteht.
-
Der Wabenkern ist aus einer Aluminiumfolie von 65 um Dicke hergestellt und besitzt Wabenstruktur, die dem Kern eine sehr große Druckfestigkeit bei geringstem Gewicht verleiht. Damit eine geschlossene Plattenstruktur entsteht, ist der Kern mit den Deckflächen versehen, wodurch sich zusätzlich zur erhöhten Druckfestigkeit auch die Verwindungssteifigkeit erheblich steigern lässt. Die durch das Anschrauben der Bodenplatte und das Montieren des Kardanringsystems auftretenden Schrauben-Druckkräfte werden von Abstandshülsen 19 aufgefangen bzw. durchgeleitet, so dass keine Deformation der Platte an den Anschraubpunkten erfolgen kann. Für eine zufriedenstellende Stabilisierungsgenauigkeit ist eine möglichst vollflächige Auflage der Bodenplatte auf dem Flugzeugboden erforderlich. Damit wird sichergestellt, dass keine durch etwaige Spalte hervorgerufenen Schwingungen den Stabilisierungsbewegungen des Trägersystems entgegen wirken und die Stabilisierungsgenauigkeit ungünstig beeinflussen können
-
Sobald die Stabilisierung der Kamera erfolgt, werden große Drehmomente realisiert, die der Kamerabewegung entgegenwirken. Mit der Beanspruchung des Außenringantriebs werden dadurch beträchtliche Torsionskräfte über das Stehlager in die Bodenplatte abgeleitet, die zugleich auch sämtliche Gewichtskräfte des Trägersystems einschließlich des Kameragewichts aufnehmen muss. Bei einem Eigengewicht von 3,8 kg trägt die Bodenplatte 16 somit eine Masse von ca. 85 kg, woraus sich ein hervorragendes Gewicht-Leistungsverhältnis von etwa 1:22 ergibt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 69315102 T2 [0002]
- DE 3516805 C1 [0002]
- WO 2008/128491 [0002]
