DE1291520B - Kreiselstabilisierte Plattform - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine kreiselstabilisierte Platt- Beschleunigungsmesser und Stützmotor einzufügende

form mit kardanisch aufgehängten Lagekreiseln, Spannungsteiler kann ebenfalls auf der Plattform anwelche Stützmotoren aufweisen, und mit Beschleuni- gebracht werden.

gungsmessern, die in Richtung der Plattformachsen Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunangeordnet sind. 5 mehr an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin ist Die extremen Anforderungen, die an die Rich- F i g. 1 ein Schrägbild einer Plattform mit kompentungsstabilität der Lagekreisel zu stellen sind, haben sierten Kreiseln gemäß der Erfindung, zur Entwicklung von Kreiseln höchster feinmechani- F i g. 2 eine Seitenansicht eines bekannten Lagescher Präzision geführt. Insbesondere wurde für das kreiseis,

Kreiselelement und die kardanische Aufhängung io F i g. 3 ein schematisches Schaltbild einer Kom-

auch von dem Prinzip der Schwimmlagerung Ge- pensationsschaltung gemäß der Erfindung und

brauch gemacht. Fig. 4 eine Zeichnung zur Erläuterung der Wir-

Es ist jedoch nicht möglich, einen Kreisel völlig kungsweise der Erfindung.

unwuchtfrei zu fertigen. Eine Unwucht besteht, wenn F i g. 1 zeigt eine Plattform 10 mit zwei erfindungsder Massenmittelpunkt des Kreiselelements sich 15 gemäß kompensierten Lagekreiseln, die an dem zu nicht im Schnittpunkt der Achsen der Kardanaufhän- stabilisierenden Element 11 befestigt sind. Die gung befindet und wenn bei einer Schwimmlagerung Kreisel A und B befinden sich in den Gehäusen 12 auch noch der Auftriebsschwerpunkt vom Achsen- und 13. Sie bewirken gemeinsam eine ein für allemal Schnittpunkt abweicht. Wird ein solcher Kreisel einer gegebene Orientierung des Elements 11 im Raum. Beschleunigung unterworfen, so entsteht ein Dreh- 20 Jede Drehung des Elements 11 wird von den Kreiseln moment, welches eine zwar langsame, aber bei hohen mit der Abgabe eines Signals beantwortet, das zur Genauigkeitsforderungen nicht tragbare Abtrift des Drehung des Elements 11 hinsichtlich eines am Flug-Kreisels und der von ihm stabilisierten Plattform ver- körper befestigten Rahmens 14 derart dient, daß das ursacht. Element U seine unveränderte Lage im Raum bei-

Bisher hat man sich bemüht, durch Auf- oder Ab- 25 behält.

tragen von Zusatzgewichten die Unwucht selbst zu Das Element 11 ist zu diesem Zweck in einer karbeseitigen. Diesem Bemühen sind jedoch in der danischen Auf hängung mit vier Achsen gelagert. Eine Praxis Grenzen gesetzt. solche Aufhängung und die Vorrichtungen zur Nach-Die Erfindung macht demgegenüber von dem an führung des Elements 11 sind z. B. in der USA.-Pasich bekannten Umstand Gebrauch, daß man den 30 tentschrift 2 949 785 im einzelnen beschrieben. Einfluß einer Störgröße auch dadurch beseitigen F i g. 2 zeigt einen an sich bekannten Lagekreisel, kann, daß man die Störgröße zwar bestehen läßt, sie der als Kreiselt oder B in den Gehäusen 12 und 13 jedoch kompensiert. verwendet werden kann. Das Kreiselelement besteht In Anwendung dieses Prinzips ist eine Plattform aus einem Kreiselrotor, der sich mit seinem Antriebsder eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch 35 motor in einer kugelförmigen Kapsel 60 befindet, die gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der bei Fahr- in einer Flüssigkeit schwebt. Die Kapsel 60 ist in Zeugbeschleunigungen auftretenden, durch die Krei- einem Kardanring 61 frei drehbar um die X-Achse selunwucht hervorgerufenen Störmomente Beschleuni- gelagert, während der Kardanring 61 seinerseits im gungsmesser und Stützmotoren jeweils über eine ein- Gehäuse 12 gelagert ist,.so daß die Kapsel sich um stellbare elektrische Kompensationsschaltung verbun- 40 die Z-Achse dreht. Ferner sind zwei paarweise angedensind. ordnete elektromagnetische Fühler vorgesehen, um Bei dreiachsiger Plattformstabilisierung mit zwei die Verschiebungen der Kapsel 60 hinsichtlich des kardanisch aufgehängten Lagekreiseln und bei Anord- Gehäuses 12 festzustellen. Für die Drehung um die nung dreier Beschleunigungsmesser in Richtung der X-Achse sind zwei Fühler 18 und 20 vorgesehen, Plattformachsen kann die Kompensationsschaltung 45 während die Drehung um die Z-Ächse von zwei Fühso ausgelegt werden, daß sie nicht nur bezüglich der lern festgestellt wird, von denen nur der Fühler 22 von einem Kreisel jeweils allein stabilisierten Achse, sichtbar ist. Die paarweise Anordnung der Fühler sondern auch bezüglich der von einem oder beiden dient dazu, Drehbewegungen um die betreffende Kreiseln stabilisierten dritten Achse wirksam ist. .Achse von reinen Verschiebungen des Kreisel-

Das durch die Kompensationsschaltung gelieferte 50 elements zu unterscheiden.

Signal wird so eingestellt, daß es die durch die Be- Außerdem sind zwei ebenfalls paarweise angeordschleunigung hervorgerufene Abtrift infolge der Mas- nete Stützmotoren vorgesehen, um dem Kreiselsenunwucht gerade wieder ausgleicht. Da gezeigt wer- element bestimmte Stützmomente aufzuzwingen, den kann, daß die Größe des von der Unwucht her- , Diese Stützmomente dienen.zum Ausgleich der Erdrührenden Drehmoments, das die Abtrift hervorruft, 55 beschleunigung und der Plattformbeschleunigung. Sie proportional zur einwirkenden Beschleunigung ist, bewirken eine Präzession des Kreiselelements, so daß kann dieses Drehmoment durch entsprechende Be- der Kreiselrotor in einer bestimmten Stellung hinmessung des Rückstellsignals vollständig kompen- sichtlich der Erde bleibt, auch wenn die Plattform in siert werden. verschiedene Breitengrade der Erdoberfläche gelangt. Da auf der Plattform schon Beschleunigungsmesser 60 Außerdem dienen erfindungsgemäß die Stützmotoren vorhanden sind, können diese für die Zwecke der auch zum Ausgleich der Kreiselunwucht. Wie F i g. 2 Erfindung herangezogen werden. Man braucht nur zeigt, sind zwei Siützmoioren 2.6 und 28 zum Drehen die auf der Plattform befindlichen Beschleunigungs- des Kreiselelements um die X-Achse vorgesehen, womesser derart mit dem Eingang der Stützmotoren zu durch eine Präzession derselben um die Z-Achse herverbinden, daß die gewünschte Kompensation ein- 65 vorgerufen wird. Von dem anderen Stützmotorenpaar tritt. Da sowohl die Beschleunigungsmesser als auch zur Anlegung eines Drehmoments um die Z-Achse die Kreisel sich auf der Plattform befinden, sind zwecks Präzession um die X-Achse ist nur der eine äußere Anschlüsse nicht erforderlich. Der zwischen Stützmotor 29 sichtbar.

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Wie F i g. 1 weiter zeigt, sind an dem stabilisierten mangelnden Orthogonalität der Dreh- und Stütz-Element 11 drei Beschleunigungsmesser 30, 31 und achsen, während die Widerstände 49 und 51 die 32 befestigt, welche die Beschleunigungen längs der Stützkonstante bestimmen, so daß die innere und Koordinatenachsen feststellen sollen. Jeder Be- äußere Stützkonstante auf den gleichen Wert geschleunigungsmesser ist also mit seiner Meßachse 5 bracht werden können. Erfindungsgemäß sind zwei parallel zu der entsprechenden Koordinatenachse an- Widerstände 53 und 55 zur Anpassung des Signals geordnet und wird in dieser Stellung durch die Tätig- vom Beschleunigungsmesser 31 an die Unwucht derkeit der Kreisel gehalten. Die Genauigkeit, mit der art vorgesehen, daß die von den Stützmotoren des die Beschleunigungen gemessen werden, hängt also Kreisels A erzeugten Drehmomente gleich groß, aber von der Genauigkeit der Ausrichtung der Plattform io von entgegengesetzter Richtung wie die Drehab. Diese Genauigkeit hängt wieder ihrerseits von momente sind, die auf den Kreisel A infolge der der Abtrift der Kreisel A und B ab. Massenunwucht beim Auftreten von Beschleunigun-

Wie oben erwähnt wurde, wird die Abtrift eines gen in Richtung der Y-Achse (Kreiseldrehachse) des

normalen Kreisels durch Beschleunigungen beein- Kreisels A ausgeübt werden. In gleicher Weise paßt flußt, weil jeder Kreisel noch eine gewisse Unwucht 15 der Widerstand 57 das Signal vom Beschleunigungs-

aufweist. Beispielsweise ist es unmöglich, einen kar- messer 32 an die von der Unwucht herrührenden

danisch aufgehängten und schwebend gelagerten Drehmomente an, die bei Beschleunigungen in Rich-

Kreisel herzustellen, dessen Auftriebsmittelpunkt und tung der Z-Achse auftreten.

Massenmittelpunkt exakt mit dem Schnittpunkt der Die Kompensationsschaltung 40 b für den Kreisel B Aufhängungsachsen zusammenfallen. Beim Auftreten 20 ist in gleicher Weise aufgebaut, jedoch sind die Stützeiner Beschleunigung werden also Drehmomente um motoren 26 und 28 dieses Kreisels B nicht mit den eine oder beide Aufhängungsachsen auf das Kreisel- Beschleunigungsmessern verbunden, element ausgeübt, wodurch der Kreisel eine Präzes- Die Z-Achse des Kreisels A hat nämlich die gleiche sion ausführt. Da das kreiselstabilisierte Element 11 Richtung wie die Z-Achse des Kreisels B, so daß die stets den Kreiseln nachgedreht wird, ergibt sich so 25 zur Stabilisierung nötige Information bereits vom eine entsprechende Abtrift der Plattform. Kreisel A gewonnen werden kann. Gegebenenfalls Erfindungsgemäß werden nun die Kreisel A und B könnte aber die Stabilisierung und damit auch die in den Gehäusen 12 und 13 durch zwei Kompen- Unwuchtkompensation auf beide Kreisel aufgeteilt sationsschaltungen 40 a und 40 & kompensiert. Jeder werden. Die beiden Stützmotoren 29 des Kreisels B Kompensationsschaltung werden die Ausgangssignale 30 sind mit dem Beschleunigungsmesser 30 über einen von den Beschleunigungsmessern 30, 31 und 32 zu- Widerstand 59 und mit dem Beschleunigungsmesser geführt. Die Kompensationsschaltung 40 α führt einen 31 über einen Widerstand 55 verbunden. So werden passend gewählten Bruchteil der Beschleunigungs- Drehmomente ausgeglichen, die infolge der Unwucht signale dem Kreisel A im Gehäuse 12 derart zu, daß des Kreisels B bei Beschleunigungen in Richtung der die von der Unwucht des Kreisels A hervorgerufenen 35 X- und Y-Achse auftreten. Auch den Stützmotoren Drehmomente gerade kompensiert werden. Entspre- 29 des Kreisels A wird über einen Widerstand 59 chendes gilt für die Kompensationsschaltung 40 b. ein Signal bei Beschleunigungen in Richtung der Die Kompensationsschaltungen sind im einzelnen in Z-Achse zugeführt.

F i g. 3 beispielsweise gezeigt. Die Signale von den Zur Festlegung der Werte der Widerstände 42, 44, Beschleunigungsmessern 30, 31 und 32 werden auf 40 46, 47, 49 und 51 gibt es zahlreiche Möglichkeiten, die Kompensationsschaltung 40 a gegeben, während Vor Anwendung der elektrischen Kompensation soll der Kompensationsschaltung 40 b nur die Signale von das Kreiselgerät so gut wie möglich auf mechaniden Beschleunigungsmessern 30 und 31 zugeführt schem Wege ausgewuchtet werden. Dann wird die werden. Die Stützmotoren 26, 28 und 29 des Krei- Fehlausrichtung der Dreh- und Stützachsen in besels A sind so mit der Kompensationsschaltung 40 a 45 kannter Weise bestimmt. Vorzugsweise werden die verbunden, daß die Massenunwucht gerade ausge- Widerstände 42, 44, 46 und 47 zugleich mit den glichen wird. Entsprechendes gilt für die Stütz- Widerständen 53, 57 und 59 eingestellt, motoren 26, 28 und 29 des Kreisels B. Ferner ist Zum Verständnis der Erfindung wird auf F i g. 4 noch ein äußeres Rechengerät 41 vorgesehen, das Bezug genommen, die drei Koordinatensysteme X_a, über die Kompensationsschaltungen den Stützmotoren 50 Y₀, Z, ferner X_b, Y₆, Z und X, Y und Z zeigt. Diese Signale zuführt, die von der Erdbeschleunigung und beziehen sich auf die Orientierung des Kreisels A, der Flugkörperbeschleunigung abhängen, so daß die des Kreisels B und der Plattform. Die Z-Achsen aller Plattform beispielsweise stets horizontal zur Erdober- drei Systeme fallen konstruktionsgemäß zusammen, fläche gehalten wird. Der Kreisel A ist so angeordnet, daß seine Kreisel-Es muß zunächst noch darauf hingewiesen werden, 55 koordinaten mit den Plattformkoordinaten zusamdaß bei Lagekreiseln die Ausrichtung der Dreh- und menfallen. Seine Kreiselachse verläuft in Y-Richtung. Stützachsen genau senkrecht zueinander Schwierig- Die Kreiselachse des Kreisels B verläuft dagegen keiten begegnet. Die den einzelnen Stützmotoren zu- senkrecht zu derjenigen des Kreisels A, d. h., seine geführten Signale müssen deshalb so einstellbar sein, Y-Richtung fällt mit der Z-Achse und seine X-Richdaß eine Fehlausrichtung der Achsen für jeden ein- 60 tung mit der Y-Achse der Plattform zusammen, zelnen Kreisel berücksichtigt werden kann. Ferner Zwecks einfacherer Ausführung der Kompensawurde gefunden, daß vorzugsweise die Stützmotoren tionsschaltung ist die Anordnung vorzugsweise so geso eingestellt werden sollen, daß bei den beiden troffen, daß der Massenmittelpunkt und der Auf-Paaren der um die innere und die äußere Kardan- triebsmittelpunkt der Kreisel sich in einem bestimmachse wirkenden Stützmotoren die gleiche Stütz- 65 ten Quadranten befinden und daß der Auftriebskonstante vorhanden ist. mittelpunkt vom Schnittpunkt der Kardanachsen In der Kompensationsschaltung 40 a dienen die weiter entfernt ist als der Massenmittelpunkt. Dies Widerstände 42, 44, 46 und 47 zum Ausgleich der kann dadurch erreicht werden, daß absichtlich eine

Unwucht in einer bestimmten Richtung in einem größeren Ausmaß als die bekannten normalen Herstellungstoleranzen angebracht wird, so daß unabhängig von der zufällig durch die Herstellung verursachten Unwucht der Massenmittelpunkt und der Auftriebsmittelpunkt die gewünschte Beziehung aufweisen. Dadurch ist stets eine bestimmte Polarität des Kompensationssignals vorgegeben. Die Massenmittelpunkte sind in F i g. 4 mit c_g und die Auftriebsmittelpunkte mit c_b bezeichnet.

Wenn nun eine Beschleunigung in Z-Richtung auftritt, so ist der Hebelarm des Auftriebs größer als derjenige der Masse, so daß auf den Kreiselt ein resultierendes Drehmoment ausgeübt wird, das den Kreisel in negativer Richtung um die Z_a-Achse zu drehen sucht. Ist dagegen eine Beschleunigung in Richtung der Achse Y_a (Kreiseldrehachse) vorhanden, so tritt ein Drehmoment auf, das den Kreisel gleichzeitig in negativer Richtung um die Z-Achse und in positiver Richtung um die Z₀-AcIiSe zu drehen sucht. Wie Fig. 3 zeigt, sind die Kompensationsschaltungen 40 a und 40 b so ausgelegt, daß den Stützmotoren Drehmomente in entgegengesetzter Richtung, wie soeben beschrieben, zugeführt werden. Beispielsweise wird das Signal vom Beschleunigungsmesser 32, das eine Beschleunigung längs der Z-Achse des Kreiselst bedeutet, über den Widerstand 57 den Stützmotoren 26 und 29 zugeführt, die den Kreiselrotor um die 2T-Achse im positiven Sinne verdrehen. Dasselbe gilt für die Kompensationsmomente in den anderen Richtungen.

Die Größe der Widerstände 53 und 57 kann leicht bestimmt werden, indem jeder zu kompensierende Kreisel auf einem Prüfstand in verschiedenen Orientierungen betrieben wird, wobei also die Gravitationskraft der Erde zur Ausübung einer bekannten Beschleunigungskraft längs der drei Koordinatenachsen verwendet wird. Durch Aufzeichnung der jeweils von den Kreiselfühlern abgegebenen Signale während dieses Probelaufs kann die Abtrift des Kreisels um die Kardanachsen bestimmt und der Widerstandswert hieraus berechnet werden.

Es ist zwar nicht notwendig, die Kompensationsschaltung unmittelbar an dem betreffenden Kreisel anzubringen, aber empfehlenswert, da die Widerstandswerte für jeden einzelnen Kreisel ein für allemal festgelegt sind. Auch könnte die Kompensationsschaltung in das Kreiselgehäuse einbezogen werden,

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kreiselstabilisierte Plattform mit kardanisch aufgehängten Lagekreiseln, welche Stützmotoren aufweisen, und mit Beschleunigungsmessern, die in Richtung der Plattformachsen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der bei Fahrzeugbeschleunigungen auftretenden, durch die Kreiselunwucht hervorgerufenen Störmomente Beschleunigungsmesser (30, 31, 32) und Stützmotoren (26, 28, 29) jeweils über eine einstellbare elektrische Kompensationsschaltung (40 a, 40 b) verbunden sind.

2. Kreiselstabilisierte Plattform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dreiachsiger Stabilisierung mit zwei kardanisch aufgehängten Lagekreiseln und bei Anordnung dreier Beschleunigungsmesser in Richtung der Plattformachsen die Kompensationsschaltung so ausgelegt ist, daß sie nicht nur bezüglich der von einem Kreisel jeweils allein stabilisierten Achse (X bzw. Y), sondern auch bezüglich der von einem oder beiden Kreiseln stabilisierten dritten Achse (Z) wirksam ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen