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Trägheits-Ortungsgerät Trägheits-Ortungssysteme für bewegte Objekte
beruhen auf der Ortung auf Grund zweimal integrierter Meßwerte der Beschleunigung
dieser Objekte.
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Es ist ein Beschleunigungsmesser bekannt, bei welchem die durch Beschleunigung
hervorgerufene Trägheitskraft einer Masse durch magnetische Kräfte selbstregelnd
kompensiert wird und die Abweichung von der Nullage der Masse in analoge Meßwerte
übergeführt wird. Bei einem weiteren Beschleunigungsmesser werden digitale Meßwerte
erhalten. Bei einem weiteren, mit Dehnungssaiten arbeitenden Gerät liegen die Meßwerte
als Frequenzdifferenzen vor.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Trägheits-Ortungsgerät für bewegte
Objekte, bei denen eine Ortung durch zweifache Integration der Meßwerte der Beschleunigung
der Objekte erfolgt und bei welchem die Trägheitskraft einer Masse, die der zu messenden
Beschleunigung proportional ist, durch magnetische Kräfte selbstregelnd kompensiert
wird. Die Erfindung besteht darin, daß die diese Kräfte hervorrufenden magnetischen
Felder mit selbstabgleichenden Kernresonanz-Magnetfeldmessern in digitale Meßwerte
übergeführt und elektronisch ausgewertet werden.
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Der Vorteil der Erfindung gegenüber bekannten Ortungsgeräten nach
dem Trägheitssystem besteht in der Anwendung der genauen Verarbeitung digitaler
Meßwerte in elektronischen Rechengeräten und in der sehr genauen Umwandlung der
zu messenden Kraft in einem digital verarbeitbaren Meßwert, nämlich in die der magnetischen
Feldstärke streng proportionale Kernresonanzfrequenz, wie sie in an sich bekannter
Weise auch in Kernresonanz-Magnetfeldmessern ausgenutzt wird.
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Die Erfindung wird mit weiteren vorteilhaften Ausbildungen an Hand
von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Der um die Achse 1 drehbar gelagerte Eisenkörper 2 hat zwei zylindrische
Polflächen 16, 17 von je etwa 900 Breite. Er erfährt durch unmagnetische, exzentrische
Zusatzmassen 3 bei Beschleunigung des ganzen Systems in Richtung des Pfeiles 4 ein
Drehmoment, welches dieser Beschleunigung proportional ist. Der Körper 2 ist von
einem weichmagnetischen Jochring R umgeben, der vier zylindrische Polflächen 18
bis 21 hat, die zu den Polflächen 16,17 des Körpers 2 genau konzentrisch sind. Außerdem
trägt der Jochring R zwei feststehende Spulen 5 und 6, von denen die Spule 6 einen
nicht weiter dargestellten konstanten Erregergleichstrom führt und die Spule 5 einen
von einem Regelverstärker 7 nach f und - aussteuerbaren Gleichstrom. Der Eingang
des Regelverstärkers 7 wird von einer Photo-
zelle 8 gesteuert. Diese wird von der
Lichtquelle 9 über den auf dem Körper 2 befestigten Spiegel 10 sowie eine Blende
11 so belichtet, daß der ausgesteuerte Strom in der Spule 5 den Körper 2 immer wieder
in die gezeichnete Ruhestellung zurückzuführen sucht, wenn er durch Trägheitskräfte
ausgelenkt wurde. Das magnetische Stellmoment ergibt sich folgendermaßen: Die magnetische
Feldstärke an den Luftspalten 12 und 14 ist der Summe der Ströme J5 und Jß in den
Spulen 5 und 6 proportional, diejenige in den Luftspalten 13 und 15 der Differenz
dieser Ströme. Die Tangentialkräfte der magnetischen Felder in den Luftspalten 12
und 14 wirken im Uhrzeigersinn, die der Luftspalte 13 und 15 im entgegengesetzten
Sinn. Das resultierende Drehmoment M ist daher wegen M - (J5 + J6)2 ~ (J5 dem Produkt
beider Ströme proportional, folglich, da J6 = konst dem Strom J5. Über die fotoelektrische
Steuerung 8, 9, 10, 11 und den Regelverstärker 7 wird nun der Strom J5 so nachgeführt,
daß der Körper 2 im Mittel in seiner Ruhelage verbleibt, obwohl Beschleunigungskräfte
ihn zu drehen suchen, d. h. aber, daß der Strom J5 diesen zu messenden Beschleunigungen
proportional ist, abgesehen von den sehr kleinen und im Mittel sich ausgleichenden
Massenkräften für die Stellwege der Fotozellensteuerung, die bei passender Wahl
von Lichtstrahldurchmesser, Lichtzeigerlänge zwischen Spiegel 10 und Blende 11,
Verstärkungsfaktor des Verstärkers 7 und Dämpfung des Regelkreises sehr klein gehalten
werden können und auch für die Ermittlung des Gesamtweges aus Meßwerten für die
Beschleunigung im wesentlichen herausgemittelt werden, wenn nur der Nullwert von
Beschleunigung und Strom J5 genau zusammenfallen. Wegen der Remanenz des ferromagnetischen
Kreises ist diese wichtige letztgenannte Bedingung nicht ganz genau erfüllbar. Erfindungsgemäß
beruht aber der verarbeitete Meßwert nicht auf
einer Auswertung
des Magnetisierungsstromes Js, sondern auf der Messung der durch diesen Strom J5
und durch Strom J8 hervorgerufenen Feldstärken in den Luftspalten 12 bis 15.
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Zwischen diesen Feldstärken und den magnetischen Stellkräften besteht
keine Hysteresebeziehung, so daß beim erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser eine
einwandfreie Nullpunktsicherheit zustande kommt.
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Wird beispielsweise die Feldstärke in den beiden Luftspalten 12 und
15 mit den Sonden 60, 61 von an sich bekannten Kernresonanz-Magnetfeldmessern gemessen,
so sind die gefundenen Resonanzfrequenzen fil und f15 den Feldstärken H12 und Y15
mit gleichem Faktor streng proportional. Aus Symmetriegründen ist H12 = H14 und
Hl3 = Hals. Der Mittelwert 1/2 (H12 + Hals) ist dem Strom J6 etwa proportional und
der Differenzwert H,, - H,, dem Strom J5.
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Zwar ändert sich der Differenzwert auch bei Strom J5 = 0 ein wenig
mit der Winkelstellung des Körpers 2. Da diese aber durch den Regelkreis nahezu
festgehalten wird, entsteht auf diese Weise bezüglich einer den Strom Js als Meßwert
verarbeitenden Meßeinrichtung nur ein kleiner zusätzlicher Proportionalitätsfehler
in der Beziehung zwischen Beschleunigung b und Strom J5, der um so kleiner wird,
je kleiner die erforderlichen Winkelstellungen zur Aussteuerung des Regelkreises
gemacht werden. Bei der erfindungsgemäßen Auswertung der magnetischen Feldstärken
in den Luftspalten spielt auch dieser Fehler keine Rolle, da der Meßwert der Frequenzdifferenz
der Magnetfeldmesser in Spalt 12 und 15 stets der Differenz der Feldstärken streng
proportional ist, unabhängig davon, ob diese Feldstärkendifferenz von einem Strom
J5 oder vom Strom J6 bei einer von der Ruhestellung abweichenden Winkellage des
Körpers 2 herrührt, und da zusätzlich J6 so geregelt wird, daß H12 + H15 konstant
bleibt.
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Das von den magnetischen Schubkräften erzeugte resultierende Drehmoment
auf den Körper 2 ergibt sich, unabhängig von kleinen Auslenkungen des Einstellwinkels,
aus der Ruhelage zu
worin a die Luftspaltweite und d die axiale Breite des Luftspaltes ist. y ist die
gyromagnetische Konstante, z. B. der Protonen (y = 4258,16 Hz/Oe), wenn wassergefüllte
Sonden 60, 61 für die beiden Kernresonanzmagnetfeldmesser benutzt werden.
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Da andererseits das mechanische Drehmoment der zu messenden Beschleunigung
b proportional ist mit der Beziehung M= b-Sm-r, worin iI m die exzentrische Zusatzmasse
3 und r deren Radius ist, so wird
Die Summen- und die Differenzfrequenzen f12 + f15 und f12 - f15 werden durch nicht
weiter dargestellte Mischstufen erzeugt und ausgefiltert. Die Summenfrequenz wird
gegen eine feste Vergleichsfrequenz fo eingeschwebt und daraus eine Regelspannung
für den Strom J6 hergeleitet, so daß diese Summenfrequenz konstant bleibt. Die Differenzfrequenz
wird elektronisch ausgezählt, so daß man eine der Geschwindigkeit y proportionale
digitale Anzeige erhält, wenn man
den Anfangswert r0, von dem an das Trägheitssystem
arbeitet, richtig vorgibt. In gleichmäßigen Zeitschritten werden die digitalen v-Werte
einem elektronischen Addierwerk zugeführt, das, ausgehend vom Anfangswert des Weges,
dann den Gesamtweg anzeigt. Ein vollständiges Ortungsgerät wird zwei (für Schiffe)
bzw. drei (für Raumschiffe) solcher Systeme benötigen, die in ihrer Meßrichtung,
z. B. durch Kreiselkompasse, stabilisiert werden oder, wenn sie mit dem Fahrzeug
fest verbunden sind, noch ergänzt werden durch Drehbeschleunigungsmesser. Besondere
elektronische Rechner bestimmen in an sich bekannter Weise aus den schrittweisen
Einzelmeßergebnissen der Weg- und Winkelelemente den gesuchten Ort des Fahrzeuges.
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Die kombinierte Translations- und Winkelbeschleunigungsabhängigkeit
des Gebers nach F i g. 1 läßt sich vermeiden durch Anwendung eines zweiten Systems
in festem Abstand, dessen Exzentrizität der Masse d m gerade die entgegengesetzte
Richtung hat. Die Summe der beiden digitalen Beschleunigungs- bzw. Geschwindigkeitsanzeigen
entspricht dann der Translationsgeschwindigkeit und ihre Differenz der Winkelgeschwindigkeit.
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F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der
es nicht so genau wie bei der Ausführung nach F i g. 1 auf gleichmäßige Luftspaltweiten
ö ankommt und bei der der Nachteil der radialen Inhomogenität der Luftspaltfelder
nach F i g. 1 entfällt, die die Feldmessung nach dem Prinzip der Kernresonanz erschwert.
Außerdem sind bei dieser zweiten Ausführung die mehrfachen Systeme für Beschleunigungsmessungen
und Winkelbeschleunigungsmessungen in einem System vereinigt. Das Beispiel in F
i g. 2 betrifft ein zweidimensionales Ortungssystem mit drei Einzelmeßstellen A,
B, C, ein allgemeines dreidimensionales Ortungssystem müßte sechs Einzelmeßstellen
enthalten.
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Die träge Masse 100 ist ein ferromagnetischer Körper mit drei Doppel-E-förmigen
Durchbrüchen D, E, F, der so gelagert ist, daß er in der Zeichenebene Translations-
und Drehbewegungen ausführen kann, aber keine Kippbewegungen aus der Zeichenebene
heraus (beispielsweise als schwimmender Körper). In den Steglücken der Durchbrüche
sind relativ zum Fahrzeug feste quaderförmige ferromagnetisch weiche Bezugskörper
32, 33 und 34 vorhanden, die gegen die träge Masse 100 die Doppelluftspalte 25 bis
30 bilden. Jeder Doppelluftspalt wird mit Hilfe von vier Spulen erregt, von denen
die mit gleichen Ziffern gekennzeichneten Spulen 41 bis 52 jeweils in Reihe geschaltet
gemeinsam wirken und nur aus Symmetriegründen doppelt ausgeführt wurden, um die
Luftspaltinduktion in den beiden Spalten eines Doppelluftspalts genau gleichzumachen.
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Die Spulen für die Luftspalte auf beiden Seiten eines Festkörpers,
z. B. 32 (System A), sind unpaarig in Reihe geschaltet, so daß die von den in Reihe
geschalteten Spulen 41 und 43 erzeugten gleichen Luftspaltinduktionswerte in 25
und 26 durch einen in den ebenfalls in Reihe geschalteten Spulen 42 und 44 fließenden
Gleichstrom J42 im Spalt 25 ebenso stark erhöht, wie im Spalt 26 erniedrigt werden.
Der Strom J41 in den Spulen 41 und 43 spielt daher die gleiche Rolle, wie der Strom
J6 nach F i g. 1 und der kleinere Strom J42 in 42 und 44 diejenige vom Strom J5
nach F i g. 1. Entsprechendes gilt für die beiden anderen Systeme B, C mit den Festkörpern
33 und 34.
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Bezeichnen wir die Resonanzfrequenz f der Kernresonanzmesser in den
Doppelluftspalten mit den Zahlenindizes
dieser Spalte, so ergibt
sich die Längsgeschwindigkeit aus dem Zählergebnis von f2, - f28, die Quergeschwindigkeit
aus dem von J26 - f25 + f0 - f29, die Winkelgeschwindigkeit aus dem von fns - fis
- f30 + f29 Dabei werden (vgl. Fig. 2 und 3) die Ströme J42, J46 und J50 über die
die Luftspaltweiten überwachenden fotoelektrischen Steuerungen so geregelt, daß
diese Luftspalte paarweise einander gleichbleiben, z. B. werden die Luftspalte 25
und 26 durch die Lichtschranken 105 und 106 (F i g. 2) überwacht.
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Bei Ungleichheit der Luftspalte sind auch die Lichtströme ungleich,
die auf die Fotozellen 115 und 116 fallen. Die Differenz der Fotozellenbeleuchtungen
steuert einen Regelverstärker 125 und dieser den Strom J42. Die Steilheit der Regelkennlinie
wird größer gemacht als die entsprechende des Verstärkers 7 in F i g. 1, so daß
die Instabilität, die ohne Aussteuerung von J42 bereits vorhanden ist, ausgeregelt
wird. Die magnetische Zugkraft auf der Seite des kleineren Luftspalts ist nämlich
hier bei gleichen Durchfiutungen größer als die des größeren Spalts, so daß zufällige
Auslenkungen vergrößert werden. Die Möglichkeit der Ausregelung dieser Labilität
einer magnetischen Aufhängung ist an sich bereits bekannt. Erst durch sie ist es
aber möglich, in dem erfindungsgemäßen Trägheitssystem die Massenkräfte mit magnetischen
Zugkräften nach F i g. 2 zu kompensieren, statt mit Schubkräften nach F i g. 1,
bei denen zwar die magnetische Stellkraft unabhängig vom Stellweg wird, bei der
aber ein kleiner Fehlabgleich der Luftspaltweiten einen Nullpunktfehler des Inertialsystems
bedingt. Bei der Anordnung nach F i g. 2 dagegen beeinflußt der Stellweg zwar den
Strom, der zur Einstellung der magnetischen Kompensation der Trägheitskräfte ausgesteuert
werden muß. nicht aber die Feldstärke, die dieser Strom erzeugt, weil in diesem
Falle die magnetische Zugkraft allein von Feldstärke und Luftspaltquerschnitt, nicht
aber (oder fast nicht) von der Luftspaltweite abhängt.
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Zu bemerken ist schließlich noch, daß die erfindungsgemäß angewendeten,
nicht mit dargestellten Kernresonanz-Magnetfeldmesser selbstabgleichend ausgeführt
sein müssen, d. h. also, daß sie einen Regelkreis enthalten, durch den bei Abweichung
des Resonanzsignals aus der normalen Mittellage auf dem Schirm der Signalanzeige
eine Regelspannung entsteht, die die im Kernresonanz-Magnetfeldmesser erzeugte Frequenz
so nachstimmt, daß das Signal wieder auf Schirmmitte zurückgeführt wird. Das ist
an sich bekannt und bewirkt, daß der Kernresonanz-Magnetfeldmesser selbsttätig eine
Frequenz herstellt, die der gemessenen Feldstärke mit einer Genauigkeit von 10-5
oder besser proportional ist. Schließlich muß im allgemeinen auch bei einer Anordnung
nach F i g. 2 ähnlich, wie das für F i g. 1 bereits beschrieben wurde, eine zusätzliche
Konstanthaltung der Mittelwerte der Feldstärken in gepaarten Doppelluftspalten,
wie z. B. 25 und 26, dadurch eingeregelt werden, daß J41 bzw. J45 und J49 SO geregelt
werden, daß f26 + f25; f27 + f28 und f29 + f30 jeweils konstant bleiben. Das ist
zwar bei konstanten Strömen J41, J45 und J49 angenähert erfüllt, doch geht der Stellweg,
um den sich die Luftspalte nach Maßgabe der Regelsteilheit der Verstärker 125 usw.
unterscheiden können, quadratisch ein, und auch die Hysterese des ferromagnetischen
Kreises ist von Einfluß. Für die Systeme B, C besteht dieselbe elektronischeAusrüstung,
wie sie in der F i g. 2 beim System A dargestellt ist.
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Die F i g. 3 zeigt das sich auf diese Weise ergebende Gesamtschaltbild.
Mit 125, 125', 125" sind die Ver-
stärker nach 125 der F i g. 2 wiedergegeben, die
die Ströme in den Spulen 42, 44 bzw. 46, 48 bzw. 50, 52 so regeln, daß die Luftspalte
konstant bleiben. Die Diskriminatoren 126, 126', 126" regeln die Ströme in den Spulen
41, 43 bzw. 49, 51 so, daß die Summenfrequenzen konstant bleiben. Die drei weiteren
Diskriminatoren 127, 128, 129 dienen zur Zählung. Der Diskriminator 127 zählt die
der Beschleunigung des mittleren Systems B (F i g. 2) proportionale Differenzfrequenz
fn - f28 und liefert damit eine derVertikalgeschwindigkeit 130 (F i g. 2) proportionale
Anzeige d x. Der Zähler 128 summiert die Frequenzdifferenzen des oberen (A) und
unteren (C) Systems (F i g. 2) f25 - J6 und - - ao und liefert damit eine derHorizontalgeschwindigkeit
131 (F i g. 2) proportionale Anzeige y. Der Zähler 129 zählt die Differenz der Frequenzdifferenzen
f25 - f£6 und f29 - f30 und liefert damit eine der Winkelgeschwindigkeit des Systems
proportionale Anzeige d . Mit an diesen Zählern 127, 128, 129 weiter angeschlossenen
Summierwerken 132, 133, 134 werden in gleichen Zeitabständen die Zählergebnisse
der Zähler 127 bis 129 aufsummiert. Damit ergeben sich die Gesamtwege x, y und der
Winkel ou. Diese Wege beziehen sich allerdings auf Längsweg, Querabdrift und Fahrtrichtung.
Zur Bestimmung des Ortes müssen die drei Zählwerke der Zähler 127 bis 129 in einem
Rechengerät 135 mit Anzeige 136 verarbeitet werden, um den jeweiligen Ort nach zwei
Koordinaten anzeigen zu können.