DE10257675A1

DE10257675A1 - Barrel stabilization method following shooting of a gun, whereby an acceleration signal derived from the opposing movements of two elements of a compensating electro-mechanical drive is used in a control loop

Info

Publication number: DE10257675A1
Application number: DE2002157675
Authority: DE
Inventors: Stefan Gerstadt; Roger Sembtner; Bernhard Stehlin
Original assignee: Moog GmbH
Current assignee: Moog GmbH
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2004-07-08

Abstract

Method for stabilizing the barrel axis of a gun in which at least one acceleration signal is used in the control loop for stability control. The acceleration signal is determined from direct measurement of the relative acceleration of two separate parts that are moving towards each other with an electro-mechanical drive.

Description

In der Wehrtechnik gehören Waffenstabilisierungsanlagen schon seit vielen Jahren zur Standardausrüstung von Kampfpanzern; auch Schützenpanzer werden seit einigen Jahren serienmäßig damit ausgerüstet, und neuerdings erhalten sogar die Waffen kleineren Kalibers auf gepanzerten Mannschafts- und Transportfahrzeugen eine solche Einrichtung. In Verbindung mit einem direkt oder indirekt an die Waffe gekoppelten Beobachtungs- und Zielgerät wird so die Möglichkeit geschaffen, ein Ziel auch während der Fahrt in unebenem Gelände zu erkennen und zu bekämpfen. Das Waffenrohr muss bezüglich seiner Ausrichtung zum Ziel inertial im Raum stabilisiert werden, und das ist immer mit einer 2-achsigen Antriebskonstruktion möglich. Man spricht von einer Höhen- und einer Seitenachse (sehr geläufig, auch im deutschen Sprachgebrauch, sind auch die Bezeichnungen Elevation und Azimut anstelle von Höhe und Seite).Gun stabilization systems are part of defense technology standard equipment for main battle tanks for many years; also Schützenpanzer have been equipped with it as standard for a number of years, and recently, even the smaller caliber weapons are getting on armored ones Team and transport vehicles such a facility. In connection with an observation link directly or indirectly linked to the weapon and target device becomes the possibility created a goal even during the Driving in uneven terrain to recognize and fight. The gun barrel must be regarding its orientation towards the target can be stabilized inertially in space, and this is always possible with a 2-axis drive design. you speaks of an altitude and a side axis (very common, The terms Elevation are also used in German and azimuth instead of altitude and side).

Der prinzipielle Aufbau eines Stabilisierungsregelkreises für die Höhenachse ist am Beispiel der 1 dargestellt:
Eine auf einer Unterlage (1) abgestützte Waffe (2) ist um die Elevationsachse (3) drehbar gelagert. Ihre relative Winkellage in Bezug auf die Unterlage (1) lässt sich mittels des Antriebsmotors (4) über das Getriebe (5) verändern. Wird die inertiale Winkellage des Waffenrohrs durch eine von der Unterlage her ausgelöste Störbewegung aus ihrer Soll-Position ausgelenkt, so wird die Störbewegung durch einen an der Waffe angebrachten Kreisel (6) sensiert und über einen Soll-Istwertvergleich (7) einer Regelelektronik (8) zugeführt, die ein Korrektursignal bildet und dieses an eine Leistungselektronik (9) abgibt, von der aus der Antriebsmotor des Stellantriebs mit dem für die dynamische Lagekorrektur notwendigen Strom versorgt wird. Der beschriebene Regelkreis ist bei allen bekannten Waffenstabilisierungsanlagen der Hauptregelkreis und wird üblicherweise Stabilisierungsregelkreis genannt. Der zugehörige Regler wird häufig als Geschwindigkeitsregler bezeichnet, weil die damit geregelte Zustandsgröße eine Winkelgeschwindigkeit ist.The basic structure of a stabilization control loop for the height axis is based on the example of 1 shown:
One on a pad ( 1 ) supported weapon ( 2 ) is about the elevation axis ( 3 ) rotatably mounted. Your relative angular position in relation to the base ( 1 ) can be done by means of the drive motor ( 4 ) via the gearbox ( 5 ) change. If the inertial angular position of the weapon barrel is deflected from its target position by an interference movement triggered by the base, the interference movement is offset by a gyroscope attached to the weapon ( 6 ) sensed and via a target / actual value comparison ( 7 ) control electronics ( 8th ) supplied, which forms a correction signal and this to a power electronics ( 9 ) from which the drive motor of the actuator is supplied with the current required for the dynamic position correction. The control loop described is the main control loop in all known weapon stabilization systems and is usually called the stabilization control loop. The associated controller is often referred to as a speed controller because the state variable controlled thereby is an angular velocity.

Dementsprechend wird für den Stabilisierungsregelkreis vielfach der Ausdruck Geschwindigkeitsregelkreis gebraucht.Accordingly, for the stabilization control loop often the term speed control loop is used.

Wird die Waffe einem eigenstabilisierten Beobachtungs- und Zielgerät nachgeführt, so bleibt die hier beschriebene Grundstruktur des Stabilisierungsregelkreises erhalten, es wird nur ein sogenannter Nachführregelkreis überlagert, wobei das Ausgangssignal des Nachführreglers (10) als Eingangssignal des Geschwindigkeitsregelkreises dient.If the weapon is tracked by a self-stabilized observation and aiming device, the basic structure of the stabilization control loop described here is retained; only a so-called tracking control loop is superimposed, with the output signal of the tracking controller ( 10 ) serves as the input signal of the speed control loop.

Mit diesem Stand der Technik werden zufriedenstellende Stabilisierungsergebnissen nur dann erzielt, solange die Waffe keine ausgeprägte Unbalance um ihre Lagerung aufweist. Bei einer vollständig um ihre Elevationslagerachse ausbalancierten Waffe müssen nämlich nur solche Ablagefehler ausgeregelt werden, die von der Unterlage her, d.h. also durch rotatorische Störungen infolge von Nickbewegungen des Fahrzeugs durch Reibung im Getriebe und im Schildzapfenlager zur Waffe hin übertragen werden. Solch günstige äußere Bedingungen sind jedoch vielfach nicht gegeben. So hat z.B. die Forderung nach einem höheren Panzerschutz besonderes für die Turmfront bei Kampfpanzem dazu geführt, daß die Waffenblende stark aufgedickt wurde, was eine merkliche Erhöhung des Unbalancemomentes der Waffe um ihre Schildzapfenachse mit sich bringt. Zudem werden neuerdings Waffenkonstruktionen mit nach vorne verlängerten Rohren eingeführt, so daß sich auch durch solche Maßnahmen die Unbalance zusätzlich beträchtlich erhöht. Dieses Problem tritt nicht nur auf bei Kampfpanzern, sondern auch bei gepanzerten Fahrzeugen mit Waffen kleineren Kalibers. Bei diesen liegt die Unbalance darin begründet, daß zur Erreichung eines großen Elevationswinkels beim Richtvorgang die Lagerung meistens gar nicht anders möglich ist. Als Folge davon zeigt sich, daß sich auch translatorische vertikale Störbewegungen, denen das Fahrzeug bei Fahrt in unebenem Gelände immer ausgesetzt ist, stark in Form von Stabilisierungsfehlern an der Waffe bemerkbar machen.With this state of the art satisfactory stabilization results only achieved as long as the weapon is not a distinctive one Unbalance around their storage. With one completely around their weapon has to be balanced such filing errors are corrected, which depend on the document, i.e. thus due to rotational disturbances due to pitching movements of the vehicle due to friction in the transmission and be transferred to the weapon in the trunnion bearing. Such favorable external conditions are often not given. For example, the demand of a higher one Armor protection especially for the turret front in battle tanks caused the weapon shield to thicken heavily was what a noticeable increase the unbalance moment of the weapon with it about its shield pin axis brings. In addition, weapon constructions have recently been brought forward extended Pipes introduced, so that also through such measures the unbalance additionally considerably elevated. This problem occurs not only with main battle tanks, but also in armored vehicles with weapons of smaller caliber. With these the imbalance lies in the fact that to achieve of a big one Elevation angle during the straightening process usually no different at all possible is. As a result, it turns out that there are also translational vertical interfering movements, which the vehicle is always exposed when driving in uneven terrain, strong in the form of stabilization errors on the weapon.

In der Praxis hat sich gezeigt, daß sich die durch die Nickbewegungen des Fahrzeugs ausgelösten rotatorischen Störbewegungen mit einem gemäß 1 aufgebauten Regelkreis ausreichend gut kompensieren lassen, wenn zusätzlich noch ein weiterer Wendekreisel (11) in das System eingeführt wird, der im allgemeinen als Hilfskreisel bzw. Störgrößenkreisel bezeichnet wird. Er mißt die Winkelgeschwindigkeit der Störungsursache, also z.B. bei einem Kampfpanzer die Nickbewegung des Turms um die Elevationsachse der Waffe und führt dieses Signal als "Vorsteuerung" (im internationalen Sprachgebrauch als "feed-forward"-signal bezeichnet) dem Soll-Istwertvergleich (7) des Stabilisierungsregelkreises zu. Mit dieser Maßnahme können jedoch die durch die translatorischen Störungen verursachten Stabilisierungsfehler regelungstechnisch nicht behandelt werden.In practice, it has been shown that the rotational interference movements triggered by the pitching movements of the vehicle change in accordance with 1 Have the built-up control loop compensated sufficiently well if an additional turning gyro ( 11 ) is introduced into the system, which is generally referred to as an auxiliary gyro or disturbance variable gyro. It measures the angular velocity of the cause of the fault, for example the pitching movement of the turret around the elevation axis of the weapon in a battle tank, and leads this signal as a "feedforward control" (referred to in international parlance as a "feed-forward" signal) to the target / actual value comparison ( 7 ) of the stabilization control loop. With this measure, however, the stabilization errors caused by the translational disturbances cannot be dealt with in terms of control technology.

Eine Waffenstabilisierung kann nicht nur negativ beeinflußt werden durch Unbalance-Störmomente um die Elevationsachse, sondern auch durch solche um die Azimutachse. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Waffe in einem Turm so gelagert oder auf einem Turm so angebracht ist. daß die Wirkungslinie der Rückstoßkraft beim Schuss nicht durch die des Turmdrehachse verläuft (siehe 2). Das beim Schießen auftretende Störmoment nimmt dabei mit wachsender Unsymmetrie in Bezug auf die Turmdrehachse zu und kann besonders bei der Abfeuerung von Salven aus einer Schnellfeuerwaffe zu unerwünscht großen Ablagen vom Ziel führen; gegebenenfalls können weitere Schüsse nicht mehr ausgelöst werden, weil die vorgeschriebene Koinzidenzbedingung zwischen Zielgerät und Waffe nicht mehr erfüllt ist.Weapon stabilization can not only be negatively influenced by imbalance disturbance moments around the elevation axis, but also by those around the azimuth axis. This is the case, for example, if the weapon is stored in a turret or attached to a turret. that the line of action of the recoil force does not run through that of the turret axis of rotation (see 2 ). The disturbance torque that occurs during shooting increases with increasing asymmetry in relation to the turret axis of rotation and can lead to undesirably large deposits from the target, especially when firing volleys from a rapid-fire weapon; if necessary, further shots can no longer be fired be resolved because the prescribed coincidence condition between target device and weapon is no longer met.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine regelungstechnische Anordnung zu finden, die den Antriebsmotor der elektro-mechanischen Stelleinrichtung schneller aktiviert als es bisher mit den als eingeführt geltenden Regeleinrichtungen möglich ist.The object of this invention is to find a control arrangement that drives the drive motor the electro-mechanical actuating device is activated faster than it so far with the as introduced applicable control devices possible is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Stabilisierungsregelkreis mindestens ein Beschleunigungssignal Verwendung findet, welches aus direkter Messung der Relativbeschleunigung zweier gegeneinander bewegter Teile im elektromechanischen Antriebssystem ermittelt wird.This object is achieved according to the invention solved, that in Stabilization control loop using at least one acceleration signal finds which is from direct measurement of the relative acceleration of two mutually moving parts in the electromechanical drive system is determined.

Dieses Signal (12) wird einem gemäß 3 aufgebauten Stabilisierungsregelkreis zugeführt in den Soll-Istwertvergleich (15) eines dort unterlagerten Beschleunigungsregelkreises mit einem Beschleunigungsregler (16), dessen Ausgangssignal (17) unmittelbar zum Eingang der Leistungselektronik (9) fuhrt als Sollwert für den Strom des Antriebsmotors in der jeweiligen Antriebsachse Elevation oder Azimut. Da die Amplitude des Motor stroms repräsentativ und proportional zur Systembeschleunigung ist und da die Beschleunigung hier auf direktem Weg verzögerungsfrei gemessen wird, z.B. mit einem nach dem Ferraris-Prinzip arbeitenden Sensor, hat der Beschleunigungskreis eine große Bandbreite mit hoher Grenzfrequenz und ist somit charakterisiert durch eine wesentlich kürzere Reaktionszeit für eine zumindest teilweise Störgrößausregelung gegenüber einer alleinigen Ausregelung über den kreiselgestützten Geschwindigkeitsregelkreis gemäß 1 mit seinen höheren Zeitkonstanten.This signal ( 12 ) according to one 3 built-up stabilization control loop fed into the target-actual value comparison ( 15 ) of an underlying acceleration control loop with an acceleration controller ( 16 ), whose output signal ( 17 ) directly to the input of the power electronics ( 9 ) leads as setpoint for the current of the drive motor in the respective drive axis elevation or azimuth. Since the amplitude of the motor current is representative and proportional to the system acceleration and since the acceleration is measured here directly without delay, e.g. with a sensor working according to the Ferraris principle, the acceleration circuit has a wide bandwidth with a high cut-off frequency and is therefore characterized by a much shorter response time for an at least partial disturbance variable regulation compared to a sole regulation via the gyro-supported speed control loop according to 1 with its higher time constants.

Liegen rotatorische Störungen um die Elevationsachse der Waffe vor, so läßt sich das Stabilisierungsverhalten noch verbessern durch die Einführung eines weiteren Sensors (13), der die Beschleunigung an der Unterlage (1) der Stelleinrichtung mißt und dieses Signal zusätzlich dem Soll-Istwertvergleich (15) des Beschleunigungsregelkreises zuführt.If there are rotational disturbances around the elevation axis of the weapon, the stabilization behavior can be improved even further by introducing another sensor ( 13 ), the acceleration on the pad ( 1 ) of the control device and this signal also compares the setpoint and actual value ( 15 ) of the acceleration control loop.

Dieses Verfahren läßt dich interpretieren als eine Transformation der vorstehend erwähnten Methode der Vorsteuerung (feed-forward) vom Geschwindigkeitsbereich in den schnelleren Beschleunigungsvergleich.This procedure leaves you interpret as a transformation of the aforementioned method the feed-forward from the speed range in the faster acceleration comparison.

Wirken sich hingegen besonders translatorische Störungen auf die Waffenanlage aus, weil sie ein hohes Unbalancemoment um ihre Elevationsachse hat, so läßt sich die Stabilisierung dadurch erheblich verbessern, daß das Signal eines Sensors (14), der die translatorische Beschleunigung mißt, z.B. an der Waffenwiege senkrecht zur Waffe in vertikaler Richtung, ebenfalls in den Soll-Istwertvergleich (15) eingespeist wird.If, on the other hand, translational disturbances have an effect on the weapon system because it has a high unbalance moment around its elevation axis, the stabilization can be considerably improved by the signal from a sensor ( 14 ), which measures the translational acceleration, e.g. on the weapon cradle perpendicular to the weapon in the vertical direction, also in the target / actual value comparison ( 15 ) is fed.

Die zuletzt beschriebene Maßnahme ist ach für die Azimutachse anwendbar und dort vor allen dann von Bedeutung, wenn die Rohrachse der Waffe nicht die Turmdrehachse schneidet, weil sich dann, wie vorstehend bereits erwähnt beim Schießen hohe Rückstoßkräfte um die Turmdrehachse ausbilden und die Azimutstabilisierung stark beeinträchtigen. Auch hier empfiehlt sich die zusätzliche Einspeisung eines Signals in den Soll-Istwertvergleich (15) des unterlagerten Beschleunigungskreises, das repräsentativ ist für die Störbeschleunigung des Turms beim Schießen. Der zugehörige Meßort ist in diesem Fall der Turm selbst oder eine in der Turmebene oder parallel zur Turmebene liegende Fläche.The measure described last can also be used for the azimuth axis and is of particular importance there if the barrel axis of the weapon does not intersect the turret axis of rotation because, as already mentioned above, high recoil forces develop around the turret axis of rotation during firing and severely impair the azimuth stabilization. Here, too, it is advisable to feed a signal into the setpoint / actual value comparison ( 15 ) of the subordinate acceleration circuit, which is representative of the interference acceleration of the turret when firing. The associated measuring location in this case is the tower itself or an area lying in the tower plane or parallel to the tower plane.

Claims

Method for stabilizing the barrel core of a weapon, which is mounted on a moving assembly base, in relation to disturbing movements which occur during movement of the assembly base or as a result of reaction forces when firing, the inertial rotary movement of the weapon being measured and fed to a stabilization controller using of an electromechanical directional drive which is in operative connection with the weapon and the assembly base, characterized in that at least one acceleration signal is used for the control in the control loop, which is determined from direct measurement of the relative acceleration of two parts moving against one another in the electromechanical drive.

Process for stabilizing the tube core axis a weapon according to claim 1, characterized in that the acceleration is measured with a sensor constructed according to the Ferrari principle.

Process for stabilizing the tube core axis a weapon according to claim 1, characterized in that the acceleration at least between the rotor of the motor and the stator of the drive motor is measured.

Process for stabilizing the tube core axis a weapon according to claims 1 to 3, characterized in that the direct measured acceleration with a movement signal measured on the base compared and the result of the comparison in the stabilization control loop is regulated.

Process for stabilizing the tube core axis a weapon according to claims 1 to 4, characterized in that on the Underlying a rotational acceleration is measured

A method for stabilizing the barrel core of a weapon according to claim 1 to 5 thereby ge indicates that a linear acceleration is measured on the base and is taken into account in the control loop.

Process for stabilizing the tube core axis a weapon according to claims 1 to 6, characterized in that the drive motor a brushless Motor is, with the Ferraris sensor integrated in the motor housing.

Process for stabilizing the tube core axis a weapon according to claims 1 to 7, characterized in that two acceleration sensors acceleration on different moving parts of the drive measure up.

Process for stabilizing the tube core axis a weapon according to claims 1 to 8, characterized in that the two Acceleration values are compared with each other and from the determined Difference signal controller parameters in the control loop can be influenced online.