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Kreiselkompaß Die Erfindung betrifft einen Kreiselkompaß mit einem
kardanisch um eine normalerweise waagerechte und senkrechte Achse frei drehbar gelagerten
Kreisel, dem nach Maßgabe der Neigung der Kreiselachse gegenüber der Waagerechten
Drehmomente über die waagerechte und die senkrechte Kardanachse zugeführt werden,
welche den Kreisel zu einer Präzession in eine horizontale und mit der Meridianrichtung
übereinstimmende Lage veranlassen.
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Ein derartiger Kreiselkompaß ist meri di ansuchend, wobei er sich
jedoch - falls nicht besondere Maßnahmen getroffen sind - auf eine gegen den Meridian
und die Horizontale etwas geneigte Stellung einstellt, derart, daß das durch diese
leichte Verkippung erzeugte Kippsignal gerade ausreicht, um diejenigen Drehmomente
zu erzeugen, durch welche der Kreisel mit zur Kompensation der Vertikalkomponente
der Erdrotation an dem betreffenden Ort ausreichenden Geschwindigkeit präzediert
wird; dieser Verkippungswinkel wird dabei im wesentlichen konstant aufrechterhalten.
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Es sind auch bereits Maßnahmen bekannt, diese zwar kleine, aber störende
bleibende Abweichung (»Breitenfehler«) der Achse des empfindlichen Kreiselementes
von der Horizontalen und der Meridianrichtung zu beseitigen. Zu diesem Zweck ist
es bereits bekannt, ein Drehmoment vorgegebener Größe um die horizontale Achse zu
erzeugen, durch welches der Kreisel zu einer Präzession mit einer der Vertikalkomponente
der Erdrotation entsprechenden Geschwindigkeit veranlaßt wird. Hierbei wird also
die Präzessionsbewegung des Kreisels zur Kompensation der Vertikalkomponente der
Erdrotation nicht durch eine in Kauf genommene dauernde Verkippung erzeugt, sondern
durch eine bewußt zugeführte Korrekturgröße, deren Betrag auf die jeweilige Vertikalkomponente
der Erdrotation je nach dem Standort des Fahrzeugs abgestimmt sein muß. Eine Möglichkeit
zur Korrektur des Breitenfehlers besteht darin, daß in einer Rechenvorrichtung ein
Signal als Funktion der Vertikalkomponente der Erdrotation gebildet und dieses Signal
zur Erzeugung eines Drehmomentes um die Horizontalachse verwendet wird, um den Kreisel
mit einer entsprechenden, die Erdrotation kompensierenden Geschwindigkeit präzedieren
zu lassen und so genau auf den Meridian eingestellt zu halten.
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Jedoch ist auch bei einem derart mit Breitenfehlerkorrektur versehenen
Kreiselkompaß nicht zuverlässig gewährleistet, daß der Kreisel stets genau auf den
Meridian ausgerichtet ist. Das System kann nämlich mit konstanten Störmomenten behaftet
sein, die eine verbleibende restliche Verkippung des Kreisels bedingen, die dann
auch zu einer bleibenden Abweichung vom Meridian führt. Derartige konstante Störmomente
können verschiedenartige Ursachen haben. So ist es beispielsweise bei einem Kreiselkompaß
mit Breitenfehlerkorrektur der erwähnten Art, bei welcher ein Korrektursignal als
Funktion der Vertikalkomponente der Erdrotation in einer entsprechenden Rechenvorrichtung
laufend gebildet wird, möglich, daß kleinere Fehler beispielsweise in der Rechenvorrichtung
oder in den anderweitigen Kompensationsvorrichtungen auftreten. Eine weitere und
besonders wichtige Ursache derartiger verbleibender konstanter Störmomente können
statische Ungleichgewichte an dem empfindlichen Kreiselelement bzw. seiner Lagerung
sein. In sämtlichen Fällen hätten derartige konstante Störmomente zur Folge, daß
der Kreisel nicht mit der richtigen Geschwindigkeit präzediert und sich daher nicht
genau auf den Meridian, sondern auf eine gegen den Meridian und gegen die horizontale
geneigte Stellung einstellt und so eine wenn auch geringe, so doch störende bleibeide
Abweichung zeigt.
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Der Erfindung liegt als Aufgabenstellung die Beseitigung dieser restlichen,
durch etwaige konstante Störmomente bedingten bleibenden Abweichung des Kreisels
von der Meridianrichtung und von der Horizontalen zugrunde. Es sei dabei betont,
daß derartige, durch konstante Störmomente bedingte Restabweichungen auch bei einem
stationären Kreiselkompaß auftreten können, die grundlegende Aufgabenstellung somit
unabhängig davon ist, ob der
Kreiselkompaß auf festem Boden oder
auf einem Fahrzeug installiert ist. Andererseits stehen in der Praxis selbstverständlich
die Anwendungsfälle, wo es sich um Kreiselkompasse auf -Fahrzeugen handelt, im Vordergrund;
in diesen Fällen sind gewöhnlich an sich bekannte Einrichtungen zur Kompensation
des Fahrtfehlers und des Fahrtbeschleunigungsfehlers vorgesehen; hierbei soll die
den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildende Beseitigung des durch konstante
Störmomente bedingten Restfehlers mit möglichst geringem zusätzlichem Aufwand unter
weitgehender Ausnutzung der für die anderen an sich bekannten Korrekturen und Kompensationen
ohnehin vorgesehenen Anlageteile erreicht werden.
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Die Erfindung betrifft somit zunächst einen stationären Kreiselkompaß
der eingangs genannten Art, dem lediglich nach Maßgabe der örtlichen Vertikalkomponente
der Erddrehung ein Drehmoment über die waagerechte Kardanachse zwecks Kompensation
des Breitenfehlers zugeführt wird.
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Zur Beseitigung einer durch etwaige auf das empfindliche Kreiselelement
einwirkende konstante Störmomente bedingten restlichen Abweichungen von der genauen
Meridianstellung ist dabei gemäß der Erfindung vorgesehen, daß dem Kreisel über
die waagerechte Kardanachse auch ein Drehmoment nach Maßgabe des Integrals der Neigung
der Kreiselachse gegenüber der Waagerechten zugeführt wird.
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Indem man gemäß der Erfindung den um die waagerechte Kardanachse
wirkenden Drehmomentgeber mit einem dem Integral der Verkippung der Kreiselachse
gegenüber der Waagerechten entsprechenden Signal beaufschlagt, erfaßt man hierdurch
gerade die in ihrer Auswirkung zu eliminierenden konstanten Störmomente; durch dieses
dem Drehmomentgeber zugeführte zusätzliche, dem Integral der Verkippung entsprechende
Signal wird daher ein zusätzliches Drehmoment um die waagerechte Kardanachse genau
in der erforderlichen Größe erzeugt, um den Kreisel unter Kompensation wider durch
die konstanten Störmomente bedingten bleibenden Restabweichung in eine genau auf
den Meridian ausgerichtete und genau horizontale Lage zu bringen und sodann mit
der zur Kompensation der Vertikalkomponente der Erddrehung gerade entsprechende
Geschwindigkeit präzedieren zu lassen.
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Wie schon erwähnt, eignet sich die Erfindung insbesondere auch zur
Anwendung für nicht stationären Betrieb unter gleichzeitigem an sich bekanntem Einsatz
von Einrichtungen zur Kompensation des Fahrtfehlers und des Fahrtbeschleunigungsfehlers,
wobei hinsichtlich der Kompensation indes Fahrtbeschleunigungsfehlers ein in an
sich bekannter Weise gewonnenes, der Nordkomponente der Fahrtbeschleunigung proportionales
Signal in einem Mischgerät dem vom Neigungsmesser gelieferten Signal entgegengeschaltet
wird.
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Zweckmäßig ist dabei vorgesehen, daß das dem Integral der Neigung
der Kreiselachse gegenüber der Waagerechten entsprechende Signal zusammen mit dem
Horizontal- und Nordfess elungssignal sowie dem Breitenfehlerkompensationssignal
über einen Mischverstärker einem gemeinsamen Drehmomentgeber an der waagerechten
Kardanachse zugeführt wird. Dies stellt eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung
der Erfindung dar, da hierbei für Idas normale Stützmoment für die horizontale Kardanachse,
für die Korrektur Wider Nordkoniponente der Fahr-
zeugbeschleunigung sowie für die
gemäß der Erfindung vorgesehene Kompensation der Effekte von konstanten Störmomenten
ein und derselbe tJbertragungskanal und Drehmomentgeber ausgenutzt wird.
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In dem erwähnten Fall, in welchem eine Korrektur des vom Neigungsfühler
gelieferten Signals bezüglich der Nordkomponente der Fahrzeugbeschleunigung vorgesehen
ist, wird der Integriervorrichtung gemäß der Erfindung zweckmäßig das bereits bezüglich
der Fahrtbeschleunigung korrigierte Neigungssignal zugeführt; um hierbei eine Beeinträchtigung
der Korrektur gemäß der Erfindung durch nach Größe und/oder Dauer beträchtliche
nördliche Fahrzeugbeschleunigungen zu vermeiden, ist gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung eine auf den Betrag des der Nordkomponente der Fahrtbeschleunigung
proportionalen Signals ansprechende Schaltvorrichtung vorgesehen, welche die Bildung
und/oder Zufuhr des dem Intergral der Neigung der Kreis elachse gegenüber der Waagerechten
entsprechenden Signals verhindert, sobald die Nordkomponente der Fahrtbeschleunigung
einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zur Bildung
des Integrals der Neigung der Kreiselachse als Integriervorrichtung ein Motor-Generator-Aggregat
vorgesehen, dessen Motor nach Maßgabe des Unterschieds zwischen dem der Integriervorrichtung
als Eingangssignal zugeführten Neigungssignal und der Ausgangsgröße des Generators
im Sinne einer Minimalisierung dieses Unterschieds gespeist wird, derart, daß die
Drehgeschwindigkeit des Motors und des Generators dem elektrischen Neigungssignal
proportional gemacht werden, und das als Ausgangsvorrichtung der Integriervorrichtung
eni die Drehstellung der gemeinsamen Welle von Motor und Generator anzeigender linearer
Stellung übertrager dient.
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Die Erfindung ist mit Vorteil auch bei einem zu einer nordstabilisierten
Lotzentrale erweiterten Kreiselkompaß anwendbar, welcher zusätzlich zu dem meridiansuchenden
Kreisel einen im Azimut von -diesem zwangsgeführten weiteren Kreisel aufweist. Dabei
kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dem zweiten, zwangsgeführten
Kreisel gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ebenfalls -ein Drehmoment
nach Maßgabe des Integrals der Neigung seiner Kreiselachse gegenüber der Waagerechten
zugeführt -werden.
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Im folgenden wird als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Zweikreisel-Kompaßlotzentrale
an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 in schematischer
perspektivischer Ansicht den allgemeinen mechanischen Aufbau und die Aufhängung
der Kompaßlotzentrale, F i g. 2 in schematischer Darstellung die Beaufschlagung
der Kreisel der Kompaßlotzentrale mit den verschiedenen Kompensationssignalen.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Kompaßlotzentrale zwei Kreiselelemente
auf, welche in Rotorträgern 18 bzw. 24 untergebracht sind und deren Rotoren zum
Umlauf um normalerweise horizontale Achsen 19 bzw. 25 angetrieben werden. Das eine
Kreiselelement 18 ist als meridiansuchender Richtungskreisel ausgebildet, dessen
Rotorachse 19 somit normalerweise waagerecht und in Nord-Süd-Richtung weisend verläuft;
das andere, ebenfalls als Richtungskreisel
ausgebildete Kreiselelement
24 ist im Azimut von dem meridiansuchenden Kreisel 18 zwangsgeführt, derart, daß
seine normalerweise waagerechte Umlaufachse 25 in Ost-West-Richtung weist.
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Die beiden Rotorträger 18 und 24 sind in der aus F i g. 1 schematisch
dargestellten Weise in dem Fahrzeug im indifferenten Gleichgewicht gelagert. Die
Aufhängung weist folgende Teile auf: einen an zwei fahrzeugfesten Stützen 10, 11
um eine der Fahrzeuglängsachse entsprechende Achse 13 gelagerten, normalerweise
waagerechten Plattform-Kardanring 12, einen an dem Kardanring 12 um eine der Fahrzeugquerachse
entsprechende Achse 15 drehbar gelagerten, normalerweise senkrechten Plattform-Tragring
14, einen in dem Tragring 14 um eine normalerweise senkrechte Achse 17 drehbar gelagerten
Plattform-bzw. Azimutrahmen 16 und zwei in dem Azimutrahmen 16 um normalerweise
vertikale Achsen 20 bzw.
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28 drehbar gelagerte, auf Grund der erwähnten Zwangsführung in zueinander
senkrecht stehenden Ebenen gehaltene Kreisel-Kardanringe 22 bzw. 26 für die Rotorträger
18 bzw. 24, welche in den Kreisel-Kardanringen 22 bzw. 26 auf Wellen 32 bzw. 35
um waagerechte Achsen 21 bzw. 27 drehbar gelagert sind. Die drehbare Lagerung des
Plattform-Kardanringes 12, des Plattform-Tragringes 14 und des Plattform- bzw. Azimutrahmens
16 kann jeweils mittels Drehzapfen vorgesehen sein; für die Lagerung der Kreiselkardanringe
22 bzw. 26 an dem Azimutrahmen 16 kann eine Torsionsaufhängung 23 bzw. 29 vorgesehen
sein.
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Die Einstellung auf den Meridian und die damit in Verbindung stehende
Horizontaleinstellung des im indifferenten Gleichgewicht gelagerten Richtungskreisels
18 erfolgt schwerkraftabhängig mittels folgender Azimutsteuerung: An dem Rotorträger
18 ist als auf Schwerkraft ansprechende Vorrichtung eine Libelle 63 angeordnet,
welche den Rotorträger 18 auf Verkippungen aus der Horizontalen um seine waagerechte
Achse 21 überwacht und in Abhängigkeit hiervon ein elektrisches Signal erzeugt.
Die Libelle 63 ist zweckmäßig so ausgebildet, daß sie innerhalb eines verhältnismäßig
kleinen Bereichs von Kippwinkeln von beispielsweise + 0,50 ein der Verkippung proportionales
Signal erzeugt, während für darüber hinausgehende Kippwinkel das Ausgangssignal
auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt bleibt. Dieses an der Leitung 74 auftretende,
die Neigung der Kreiselachse 19 gegenüber der Waagerechten wiedergebende Ausgangssignal
wird nach weiterer Bearbeitung und Kombination mit zusätzlichen Korrektursignalen
zur Kompensation des Breiten-, des Fahrtbeschleunigungs- und des Fahrtfehlers sowie
mit dem speziellen Korrektursignal gemäß der Erfindung einem um die waagerechte
Achse 21 des Rotorträgers 18 wirkenden Drehmomentgeber 72 zugeführt. Die Bildung
des dem Drehmomentgeber 72 zugeführten resultierenden Korrektursignals wird weiter
unten an Hand von F i g. 2 noch im einzelnen erläutert.
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Der Drehmomentgeber 72 wirkt zwischen dem Kreisel-Kardanring 22 und
der Lagerwelle 32 des Rotorträgers 18 und weist einen E-förmigen Stator mit einer
Statorwicklung, welcher das Korrektursignal zugeführt wird, sowie einen beweglichen
Anker auf. Von diesen beiden miteinander zusammenwirkenden Teilen des Gebers 72
ist das eine an einem
Fortsatz des Kreisel-Kardanringes 22 und das andere an einem
entsprechenden Fortsatz 73 der Lagerwelle 32 des Rotorträgers 18 angebracht. Durch
das dem Drehmomentgeber 72 zugeführte Signal wird der Rotorträger 18 im Azimut so
präzediert, daß die Rotorumlaufachse 19 genau waagerecht und auf den Meridian ausgerichtet
gehalten wird.
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Der Azimutrahmen 16 wird in Abhängigkeit von der jeweiligen Azimutstellung
des Rotorträgers 18 im Azimut in die jeweilige Stellung des Kreisel-Kardanringes
22 nachgedreht, und zwar durch folgende Steuerung: Ein zwischen dem Azimutrahmen
16 und dem Kreisel-Kardanring 22 wirkender Signalgeber 56, welcher in analoger Weise
wie der Drehmomentgeber 72 ausgebildet sein kann, erzeugt ein der Verdrehung zwischen
dem Kreisel-Kardanring22 und dem Azimutrahmen 16 entsprechendes Signal auf der Leitung
57; über einen Azimutverstärker 58 und eine Leitung 59 wird dieses Signal leinem
am Plattform-Tragring 14 befestigten Nachführmotor 60 zugeführt, dessen Ausgangswelle
über ein Untersetzungsgetriebe 61 kraftschlüssig mit der Lagerwelle 43 des Azimutrahmens
16 verbunden ist; sobald an dem Geber 56 eine Verdrehung zwischen dem Kreisel-Kardanring
22 und dem Azimutrahmen 16 festgestellt wird, wird durch das in Abhängigkeit hiervon
erzeugte Signal der Azimutrahmen 16 nachgedreht.
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Zur Dämpfung der durch die beschriebene Azimutsteuerung des meridiansuchenden
Elements 18 hervorgerufenen Azimutschwingungen ist ein zwischen dem Azimutrahmen
16 und dem Kreisel-Kardanring 22 wirkender weiterer Drehmomentgeber 155 vorgesehen,
Ider von gleicher Bauart wie der Drehmomentgeber 72 sein kann; die beiden miteinander
zusammenwirkenden Teile des Drehmomentgebers 155 sind an entsprechenden Fortsätzen
156 bzw. 157 des Azimutrahmens 16 bzw. des Kreisel-Kardanringes 22 angeordnet. Die
Bildung des Dämpfungssignals, mit welchem der Dämpfungs-Drehmomentgeber 155 beaufschlagt
wird, wird weiter unten an Hand von F i g. 2 beschrieben.
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Die Azimutsteuerung des Rotorträgers 24 des zweiten Kreis el elements
erfolgt, wie erwähnt, zwangläufig in Abhängigkeit von dem ersten Kreisel 18, und
zwar derart, daß die Umlaufachsen 19 bzw. 25 der beiden Rotorträger 18 bzw. 24 senkrecht
zueinander gehalten werden; damit ist gleichbedeutend, daß die Kreisel-Kardanringe
22 bzw. 26 der beiden Rotorträger in zueinander rechtwinkligen vertikalen Ebenen
gehalten werden. Die Azimut-Zwangsführung des zweiten Rotorträgers 24 erfolgt neben
der bereits beschriebenen Nachdrehsteuerung für den Azimutrahmen 16, mittels welcher
dieser in Ausrichtung auf die jeweilige Azimutstellung des Kreisel-Kardanringes
22 des ersten Kreisels gehalten wird, durch folgende Steuerung: Ein elektrischer
Signalgeber 163 erzeugt ein der Verdrehung zwischen dem Azimutrahmen 16 und dem
Kreisel-Kardanring 26 aus ihrer zueinander rechtwinkligen Bezugsstellung entsprechendes
Signal, das über eine Leitung 165 (F i g. 2 A), einen Verstärker 166 und eine Leitung
167 einem um die waagerechte Lagerungsachse 35 des zweiten Rotorträgers 24 wirkenden
Drehmomentgeber 164 zugeführt wird. Der Signalgeber 163 und der Drehmomentgeber
164 können in gleicher Art wie der Signalgeber 56 und der Drehmomentgeber 72 ausgebildet
sein; der Drehmomentgeber 164 wirkt zwischen einem Fortsatz des Kreisel-Kardanringes
26
und einem entsprechenden Fortsatz der Lagerwelle 35 des Rotorträgers
24; das von dem Drehmomentgeber 164 auf den Rotorträger 24 um dessen waagerechte
Lagerungsachse 27 ausgeübte Drehmoment bewirkt eine Präzession des Rotorträgers
24 und des mit ihm verbundenen Kreisel-Kardanringes 26 im Azimut in die gemäß der
Zwangsführung gewünschte Azimutstellung.
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Des weiteren ist eine schwerkraftabhängige Horizontalsteuerung für
den im indifferenten Gleichgewicht gelagerten zweiten Rotor 24 vorgesehen. Diese
weist als auf Schwerkraft ansprechende Vorrichtung eine elektrolytische Libelle
171 von gleicher Art wie die Libelle 63 auf, welche den zweiten Rotorträger 24 auf
Verkippungen um seine (infolge der zuvor geschilderten Azimut-Zwangsführung zur
Nord-Süd-Richtung parallel waagerechte) Lagerachse 27 überwacht; zweckmäßig ist
wiederum vorgesehen, daß für verhältnismäßig kleine Kippwinkel innerhalb eines Bereichs
von beispielsweise + 0,50 ein der Verkippung proportionales Ausgangssignal, für
größere Kippwinkel ein auf einen Maximalwert begrenztes Ausgangssignal erzeugt wird;
dieses an der Ausgangsleitung 172 der Libelle 171 auftretende Ausgangssignal wird
wiederum nach einer weiter unten an Hand von F i g. 2 B näher beschriebenen Kombination
mit Signalen zur Kompensation der waagerechten Komponente der Erddrehung (Breitenfehler),
des Fahrtgeschwindigkeits- und des Fahrtbeschleunigungsfehlers sowie mit dem spezifischen
Korrektursignal gemäß der Erfindung einem um die vertikale Achse 28 wirkenden Drehmomentgeber
168 zugeführt, dessen beide miteinander zusammenwirkende Teile an entsprechenden
Fortsätzen des Azimutringes 16 und des Kreisel-Kardanringes 26 angebracht sind.
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Durch dieses um die vertikale Achse 28 wirkende Drehmoment wird der
Kreisel zu einer Präzessionsbewegung um seine waagerechte Lagerungsachse 27 veranlaßt
und so die Rotorachse 25 waagerecht gehalten.
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Die in der vorstehend beschriebenen Weise waagerecht und in vorgegebener
Ausrichtung bezüglich des Meridians gehaltenen Rotorachsen 19 bzw. 25 der beiden
Kreiselelemente bzw. die Lagerungsachsen 21 und 27 der beiden Kreiselelemente definieren
die waagerechte, nordorientierte Bezugsebene der Kompaßlotzentrale. Die Kompaßlotzentrale
stellt somit ein dreiachsiges Bezugsinstrument dar, das Angaben über die jeweilige
Längsneigung, Querneigung und Azimutstellung des Fahrzeugs zu liefern vermag.
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Diese Angaben können für übliche Zwecke, beispielsweise zur Betätigung
von Folge- bzw. Tochtergeräten mit Sichtanzeige, für eine Selbststeueranlage des
Fahrzeugs oder zur Stabilisierung von im Fahrzeug verwendeten Instrumenten dienen.
Die Längsneigung-, Querneigungs- und Azimutangaben werden in folgender Weise gebildet:
Jede Kippung des Fahrzeugs und damit der fahrzeugfesten Stützen 10, 11 gegenüber
dem erwähnten kreiselstabilisierten Bezugsachsensystem wird zunächst über die Aufhängerahmen
durch je einen mit jedem der beiden Rotorträger verbundenen Signalgeber 30 bzw.
33 nachgewiesen; die beiden Geber 30 bzw. 33 weisen jeweils einen an einem Fortsatz
des entsprechenden Kreisel-Kardanringes 22, 26 angeordneten Stator und einen damit
zusammenwirkenden, an einem entsprechenden Fortsatz 31 bzw. 34 der horizontalen
Lagerwellen 32 bzw. 35 angeord-
neten Rotor auf und stellen jede Verkippung der Kreisel-Kardanringe22
bzw. 26 aus ihrer zu den waagerechten Rotorachsen 19 bzw. 27 senkrechten Stellung
fest. Die von den Sinalgebern 30 und 33 gelieferten Signale dienen zur Stabilisierung
des Plattform-Tragringes 14 um seine Achsen 13 und 15 unter gleichzeitiger Bildung
entsprechender Querneigungs-und Längsneigungsangaben. Zu diesem Zweck werden die
Ausgangssignale der Signalgeber 30 bzw. 33 über Leitungen 50 bzw. 51 dem Rotor eines
Komponentenzerlegers 42 zugeführt; der Rotor des Komponentenzerlegers 42 sitzt auf
einem Fortsatz der vertikalen Lagerungswelle 43 des Azimutrahmens 16; der Stator
des Komponentenzerlegers 42 ist an dem Plattform-Tragring 14 befestigt. Da der Azimutrahmen
16 mit seiner Lagerungswelle 43 im Azimut entsprechend dem jeweiligen Kurs nachgedreht
wird, hängt die Relativstellung zwischen dem Rotor und dem Stator des Komponentenzerlegers
42 somit vom jeweiligen Fahrzeugkurs ab. Durch den Komponentenzerleger 42 wird somit
gewährleistet, daß in jeder Azimutstellung des Azimutrahmens 16 gegenüber dem fahrzeugfesten
Achsensystem von Längsachse 13 und Querachse 15 die Ausgangssignale der Signalgeber
30 bzw. 33 in richtiger Weise auf die mit den Ausgängen 44 bzw. 45 des Stators des
Komponentenzerlegers 42 verbundenen Längsneigungs- bzw. Querneigungskanäle aufgeteilt
werden.
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Das Längsneigungsignal wird über die Leitung 44, einen Verstärker
46 und eine Leitung 48 einem Längsneigungsmotor 39 zugeführt, dessen Ausgangswelle
40 über ein Untersetzungsgetriebe 41 den Plattform-Tragring 14 um die Querneigungsachse
15 verdreht; die Ausgangswelle 40 des Längsneigungsmotors 39 treibt ferner über
ein Untersetzungsgetriebe 55 einen Längsneigungsgeber 54, an dessen Ausgangsleitung
ein Längsneigungssignal zur weiteren Verwendung verfügbar ist.
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Das der Querneigung entsprechende Ausgangssignal des Komponentenverlegers
42 wird über die Leitung 45, einen Querneigungsverstärker 47 und eine Leitung 49
einem Querneigungsmotor 36 zugeführt, dessen Ausgangswelle 37 über ein Untersetzungsgetriebe
38 den Plattform-Kardanring 12 um seine mit der Fahrzeuglängsachse zusammenfallende
Lagerachse 13 verdreht; der Querneigungsmotor 36 treibt ferner über ein Untersetzungsgetriebe
53 einen Querneigungsgeber 52, an dessen Ausgangsleitung ein Querneigungssignal
zur weiteren Verwendung verfügbar ist.
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Eine Azimutangabe steht an der Ausgangsleitung 94 eines an dem Plattform-Tragring
14 befestigten Azimutgebers 62 zur Verfügung, welcher über das Getriebe 61 in Antriebsverbindung
mit dem Azimutmotor 60 der Nachführsteuerung des Azimutrahmens 16 steht.
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Im folgenden wird an Hand von F i g. 2 die Zusammensetzung und Bildung
der Kompensationssignale beschrieben, mit welchen der Drehmomentgeber 72 der Horizontal-
und Nordfesselungssteuerung und der Drehmomentgeber 155 der Dämpfungssteuerung des
ersten Rotorträgers 18 sowie der Drehmomenterzeuger 168 der Horizontalsteuerung
des zweiten Rotorträgers 24 beaufschlagt werden.
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F i g. 2 A zeigt in perspektivischer Ansicht die in diesem Zusammenhang
interessierenden Teile der Aufhängung und Steuerung der beiden Rotorträger 18 und
24 sowie in Form eines Blockschaltbildes die
zur Beaufschlagung
des ersten Rotorträgers 18 dienenden Teile.
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Dem Drehmomentgeber 72 der Horizontal- und Nordfesseiungssteuerung
des ersten Rotorträgers 18 wird über die Leitung 78 ein resultierendes Korrektursignal
zugeführt, das in einem Summationsverstärker 77 aus mehreren Einzelsignalen wie
folgt zusammengesetzt wird: Über die Leitung 76 wird dem Summationsverstärker 77
ein Signal zugeführt, das der (hinsichtlich der Nordkomponente der Fahrzeugbeschleunigung
kompensierten) Neigung der Kreiselachse des Elements 18 gegenüber der Waagerechten
entspricht; dieses Signal enthält als wesentlichen Bestandteil das über die Leitung
74 zugeführte Ausgangssignal der Libelle 63; dieses Neigungssignal wird in einem
Mischgerät 75 subtraktiv mit einem auf der Leitung 116 zugeführten Signal kombiniert,
das der Nordkomponente der Fahrzeugbeschleunigung entspricht. Hierdurch wird dem
Umstand Rechnung getragen, daß die auf Schwerkraft ansprechende Libelle 63 auch
auf in Nord-Süd-Richtung wirkende Fahrtbeschleunigungskräfte anspricht, also bei
Vorliegen einer Fahrzeugbeschleunigung mit Nordkomponente fälschlich ein Ausgangssignal
erzeugt, auch wenn der Rotorträger 18 eine genau waagerechte Stellung einnimmt.
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Das Ausgangssignal des Mischgerätes 75 bildet somit ein genaues,
hinsichtlich des Einflusses der Nordbeschleuenigung des Fahrzeugs auf die Libelle
63 kompensiertes Maß der Neigung der Kreiselachse 19 des ersten Kreisels 18 gegenüber
der Waagerechten.
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Dieses Signal wird über die Leitung 76 dem Summationsverstärker77
als Hauptkomponente des resultierenden Signals für den Drehmomentgeber 72 zugeführt;
es dient zur primären Azimutsteuerung und bewirkt, daß die Umlaufachse des Kreiselmotors
18 in erster Näherung in die Nord-Süd-Richtung gebracht und gleichzeitig in horizontaler
Lage gehalten wird.
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Des weiteren wird dem Summationsverstärker 77 auf der Leitung 154
ein der örtlichen Vertikalkomponente der Erdrotation proportionales Signal zugeführt.
Bekanntlich würde die Vertikalkomponente der Erdrotation eine scheinbare Drehung
des Kreisels im Azimut um die vertikale Achse 20 bzw. in Verbindung damit eine Verkippung
aus der Horizontalen bewirken; diese Abweichung von der Horizontalen würde zwar
durch die Libelle 63 nachgewiesen und in Abhängigkeit hiervon im Wege der erwähnten
Primärsteuerung ein Drehmoment erzeugt, das eine laufende Präzession des Kreisels
in die Meridianrichtung bewirken würde. Da jedoch als Auslösung für diese Präzessionssteuerung
eine gewisse Mindestabweichung des Kreisels aus der Horizontalen Voraussetzung ist,
würde die Kreiselachse jeweils in einer geringfügig von der Horizontalen und auf
den Meridian ausgerichteten Stellung abweichenden Stellung verbleiben. Durch die
Beaufschlagung mit einem besonderen, der jeweiligen Vertikalkomponente der Erddrehung
entsprechenden Signal wird erreicht, daß die Kreiselachse in eine genaue horizontale
und auf den Meridian ausgerichtete Stellung gebracht und durch eine laufende, die
Erddrehung kopensierende Präzession in dieser Stellung gehalten wird. Diese Komponente
ist betragsmäßig proportional dem Ausdrucke sin L, worin We die Geschwindigkeit
der Erdrotation und L die jeweilige geographische Breite ist.
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Wie erwähnt, ist auch eine Kompensation der durch die Eigenbewegung
des Fahrzeuges, und zwar durch die östliche Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit
verursachten Abweichung des Kreisels aus der Nord-Süd-Stellung und der Horizontalstellung,
vorgesehen. Diese Abweichung kommt in ähnlicher Weise zustande wie die durch die
Erdrotation bedingte. Zu ihrer Kompensation wird dem Summationsverstärker 77 auf
der Leitung 153 ein der jeweiligen östlichen Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Tangens
der geographischen Breite, d. h. also dem Ausdruck v sin c tg L, proportionales
Signal zugeführt, worin v die Fahrzeuggeschwindigkeit, c den Kurswinkel des Fahrzeugs
und L wiederum die geographische Breite bedeutet.
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Schließlich ist gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung
eine Kompensation hinsichtlich konstanter Störmomente vorgesehen, wie sie beispielsweise
durch statische Ungleichgewichte an dem empfindlichen Kreiselelement bzw. seiner
Lagerung oder durch anderweitige Ursachen hervorgerufen werden können. Zu diesem
Zweck wird gemäß der Erfindung dem Summationsverstärker 77 zusätzlich auf der Leitung
126 eine Signalkomponente zugeführt, welche dem Integral des auf der Leitung 76
auftretenden, hinsichtlich der Nordkomponente der Fahrzeugbeschleunigung kompensierten
Neigungssignals entspricht. Die Bildung dieses Signals erfolgt in der als Ganzes
mit 119 bezeichneten Integrationsvorrichtung. Diese weist ein auf einer gemeinsamen
Welle gekuppeltes Aggregat aus einem Tachogenerator 120 und einem Motor 121 sowie
einen von der Ausgangswelle des Motors 121 über ein Untersetzungsgetriebe U angetriebenen
linearen Stellungsübertrager 122 sowie eine auf der Welle des Stellungsübertragers
sitzende Skalenscheibe 127 mit Ablesemarke 128 zur Sichtanzeige der jeweiligen Ausgangsgröße
der Integrationsvorrichtung auf. Die Statorwicklungen des Generators 120, des Motors
121 und des Stellungsübertragers 122 werden aus einer gemeinsamen Wechselstromquelle
119 erregt. Das Ausgangssignal des Generators 120 ist eine lineare Funktion der
Winkelgeschwindigkeit seiner (mit dem Motor 121 gemeinsamen) Welle. Zur Integration
des kompensierten Neigungssignals wird der Motor 121 über einen Verstärker 125 mit
der Differenz zwischen dem über die Leitung 123 (von der Leitung 76 her) zugeführten
kompensierten Neigungssignal und dem damit in Reihe liegenden Ausgangssignal des
Generators 120 beaufschlagt. Da das Ausgangssignal des Generators 120 eine lineare
Funktion der Winkelgeschwindigkeit seiner (mit der Welle des Motors 121 direkt gekuppelten)
Welle ist, wird durch diese Anordnung die Winkelgeschwindigkeit des Motors 121 so
geregelt, daß die genannte Differenz ein Minimum wird. Auf diese Weise wird erreicht,
daß die Winkelgeschwindigkeit des Motors 121 und des von ihm angetriebenen Generators
120 proportional dem als Eingangssignal zugeführten Neigungssignal wird. Die Gesamtdrehung
der Welle des von dem Motor über das Untersetzungsgetriebe U angetriebenen linearen
Stellungsübertragers 122 innerhalb eines bestimmten Zeitraums bildet daher ein Maß
für den Mittelwert des Zeitintegrals des kompensierten Neigungssignals innerhalb
dieses Zeitraums. Das an der Ausgangswicklung des linearen Stellungsübertragers
122 abgenommene Ausgangssignal der Integrationsvorrichtung 119 wird über die Leitung
126 dem
Summationsverstärker 77 zugeführt. Ist infolge irgendwelcher
konstanter Stördrehmomente das von der Libelle 63 abgegebene, in der Mischvorrichtung75
bezüglich der Nordbeschleunigung kompensierte Neigungssignal 76 innerhalb eines
bestimmten Zeitraums nicht im Mittel Null, d. h. mit anderen Worten, verschwindet
das Zeitintegral des kompensierten Neigungssignals über einen bestimmten Zeitraum
hin nicht, so tritt auf der Ausgangsleitung 126 der Integrationsvorrichtung 119
ein von Null verschiedenes Korrektursignal auf, durch welches auf den Kreisel ein
Drehmoment ausgeübt wird, das dem konstanten Stördrehmoment entgegengesetzt gleich
ist, derart, daß der Kreisel 18 genau in die Meridianrichtung und in die Horizontallage
gebracht und in dieser gehalten wird.
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Da der Integrationsvorrichtung 119 als Eingangssignal bei 123 das
hinsichtlich der Nordbeschleunigungen kompensierte Neigungssignal 76 zugeführt wird,
könnte sich beim Vorliegen starker und/oder länger andauernder nördlicher Fahrzeugbeschleunigungen
in der Integrationsvorrichtung 119 ein größerer Fehler kumulieren. Zu diesem Zweck
ist vorgesehen, das Eingangs signal der Integrationsvorrichtung 119 automatisch
während solcher Zeiträume abzuschalten, während welcher das auf der Leitung 116
zugeführte Nordbeschleunigungssignal einen bestimmten vorgegebenen Wert überschreitet.
Zu diesem Zweck ist in der Zufuhrleitung zu dem Motorverstärker 125 eine Relaisschaltung
124 vorgesehen, welche über eine Leitungl31 von der Leitung 116 das Nordbeschleunigungssignal
zugeführt erhält. So--bald das Nordbeschleunigungssignal auf den Leitungen 116 und
131 den erwähnten vorgegebenen Wert überschreitet, unterbricht das Relais 124 die
zu dem Verstärker 125 und dem Motor 121 führende Leitung und setzt damit die Integriervorrichtung
119 so lange außer Betrieb, wie die erwähnten Bedingungen hoher Beschleunigung andauern.
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Die vorstehend näher erläuterten, auf den Leitungen 76, 126, 153,
154 zugeführten Einzelsignale werden in dem Summationsverstärker 77 kombiniert und
über die Leitung 78 dem Drehmoment 72 für die Horizontal- und Nordfesselungssteuerung
des Rotorträgers 18 zugeführt und gewährleisten, daß die Rotorachse 19 des Kreisels
18 stets genau auf den Meridian ausgerichtet und horizontal gehalten wird.
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Der Dämpfungsdrehmoment 155 des meridiansuchenden Richtungskreisels
18 wird über einen Kombinationsverstärker 158 beaufschlagt, welchem einerseits über
die Leitung 160 das kompensierte Neigungssignal von der Leitung 76 her und andererseits
auf der Leitung 162 ein der Nordabtrift des Fahrzeugs und der Nordkomponente v cos
c der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängiges Signal zugeführt wird. Durch den in der
Zufuhrleitung 160 des kompensierten Neigungssignals liegenden Widerstand 161 kann
das Verhältnis des über den ersten Drehmomentgeber 72 der Horizontal- und Nordfesselungssteuerung
auf den Xreisel ausgeübten Drehmoments zu dem von dem Drehmomentgeber 155 ausgeübten
Dämpfungssteuerdrehmoment bestimmt werden. Dieses Verhältnis kann beispielsweise
so gewählt werden, daß das eine variable Periode aufweisende Instrument unter einer
geographischen Breite von etwa 40° eine 3stündige Periode erhält.
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Im folgenden wird an Hand von F i g. 2B, welche an die Darstellung
von Fig. 2 A rechts anschließend
zu denken ist, noch die Art und die Bildung der
Signale zur Horizontalsteuerung des zwangsgeführten Kreisels 24 erläutert.
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Der in diesem- Fall um die vertikale Aehse28 (Fig. 1) wirkende Drehmomentgeber
168 wird ebenfalls mit einem über die Leitung 170 zugeführten resultierenden Kompensationssignal
beaufschlagt, welches in einem Summationsverstärker 169, welcher dem Verstärker
77 in F i g. 2 A entsprechen kann, in ähnlicher Weise aus einzelnen, verschiedene
Fehlerkorrekturen betreffenden Komponenten (184, 188, 189, 197) zusammengesetzt
wird wie das resultierende Kompensationssignal 78 in Fig. 2A aus den Komponenten
76, 126, 153, 154.
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Im einzelnen wird als Hauptkomponente auf der Leitung 184 ein Signal
zugeführt, das im wesentlichen dem auf der Ausgangsleitung 172 der Libelle 171 des
Rotorträgers 24 auftretenden Neigungssignal entspricht; dieses Neigungssignal 172
wird in einer Mischvorrichtung 173 (ähnlich wie bei 75 in F i g. 2A) mit einem bei
183 zugeführten Signal subtraktiv kombiniert, welches der Ost-West-Komponente der
Fahrzeugbeschleunigung entspricht, welche eine Verfälschung der Neigungsanzeige
der Libelle 171 bewirken könnte. Das bei 184 dem Summationsverstärker 169 zugeführte
kompensierte Neigung signal bildet wiederum die Hauptkomponente der Horizontalsteuerung
des zwangläufig geführten Kreisels 24.
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Des weiteren ist ebenfalls eine Kompensation hinsichtlich der Ostkomponente
der Fahrzeuggeschwindigkeit vorgesehen; die diesbezügliche Komponente wird dem Summationsverstärker
169 auf der Leitung 188 in Gestalt eines Signals v sin c zugeführt. Des weiteren
wird der zwangläufig geführte Kreisel 24 bezüglich der waagerechten Komponente der
Erddrehung kompensiert. Ein dem Betrag We cos L entsprechendes Signal wird zu diesem
Zweck über die Leitung 189 zugeführt.
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Schließlich ist gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung
auch für den zwangläufig geführten Kreisel 24 eine Kompensation bezüglich.konstanter
Störmomente vorgesehen, wie sie z. B. durch Ungleichgewichte des Rotorträgers 24
bzw. in seiner Lagerung hervorgerufen werden können und welche ohne Gegenmaßnahmen
zu einer bleibenden Verkippung des Kreisels 24 um seine waagerechte Lagerungsachse
27 (Fig. 1) und einer entsprechenden Verfälschung der Querneigungs- und Längsneigungsanzeigen
der Lotzentrale führen könnten. Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung wiederum
die Zufuhr eines dem Zeitintegral des kompensierenden Neigungssignals 184 entsprechendes
Signal auf der Leitung197 vorgesehen. Die Bildung dieses Kompensationssignals erfolgt
in der Integrationsvorrichtung 190, welche in der gleichen Art wie die Integrationsvorrichtung
119 von Fig. 2 A aufgebaut sein kann und ein direkt gekuppeltes Generator-Motor-Aggregat
193, 195, ein Untersetzungsgetriebe U, einen Stellungsübertrager 196, eine Anzeigeskala
198 mit Ablesemarke 199 und einen Verstärker 191 aufweisen kann. Als Eingangssignal
wird der Integrationsvorrichtung 190 von der Leitung 184 her über die Leitung 192
das kompensierte Neigungssignal (Ausgangssignal der Mischvorrichtung 173) zugeführt,
das in subtraktiver Serienschaltung mit dem Ausgangssignal des Generators 193 über
die Leitung 194 dem Motorverstärker 191 zur Speisung des Motors 195
zugeführt
wird. An der Ausgangswicklung des linearen Stellungsübertragers 196 wird über die
Leitung 197 das dem Zeitintegral des kompensierten Neigungssignals entsprechende
Signal abgenommen und dem Summationsverstärker 169 zugeführt.