DE1773246A1

DE1773246A1 - Anordnung zum Ausrichten einer Kreiselplattform

Info

Publication number: DE1773246A1
Application number: DE19681773246
Authority: DE
Inventors: Ainsworth Frank Wesley
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1967-04-28
Filing date: 1968-04-19
Publication date: 1971-11-25
Also published as: GB1197253A; US3490281A

Description

Anordnung zum Ausrichten einer Kreiselplattform

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ausrichten einer in einem Flug- oder Raumfahrzeug von Kardanrahmen getragenen Kreiselplattform in Richtung der jeweiligen, örtlichen Lotrechten zur Erde oder einem sonstigen Bezugskörper. Eine solche Anordnung kann in Navigationssystemen für Flugzeuge oder andere bewegliche Objekte eingesetzt werden, um während der Bewegung des Objekts relativ zur Erdoberfläche von einem geographischen Ort zu einem anderen Navigationsinformationen bereitzustellen. Eine in Bezug auf die jeweilige örtliche Lotrechte praktischer Weise horizontal stabilisierte Plattform kann auch als eine konstante Richtung beibehaltende Lagerung für ein Sternverfolgungsgerät, photographische Geräte oder andere Meß- und Regelgeräte dienen.

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Ein Gerät zur Erzeugung einer auf die örtliche Lotrechte bezogenen Größe ist in der amerikanischen Patentschrift 2 752 792 beschrieben. Dort wird eine Plattform gegen Bewegung um drei orthogonale Achsen durch auf der Plattform befestigte Kreisel stabilisiert, deren Ausgangssignale auf Servoantriebe für die Plattform einwirken. Abweichungen von der Vertikalen werden durch Pendel festgestellt, welche die Kreisel verstellen und auf diese Weise Signale in die Aufrlchtschaltung einspeisen, v;elche der Abweichung vom Ortslot entsprechen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art unter Verwendung freier Kreisel zu schaffen, beispielsweise mit Kreiseln, deren Rotor elektrostatisch gelagert ist. Freie Kreisel mit ihrer hervorragenden Langzeitgenauigkeit sind zur Stabilisierung von Plattformen in Bezug auf den Trägheitsraum, im folgenden kurz Raum genannt, verwendet worden. Die Stabilisierung einer Plattform in Bezug auf die örtliche Lotrechte bringt jedoch zusätzliche Probleme mit sich, weil sich die Richtung der örtlichen Lotrechten in Bezug auf den Trägheitsraum infolge der Drehung der Erde und bei Positionsänderungen der Flugzeuges in Bezug auf die Erde ändert. Die Verwendung von freien Kreiseln in einer Anordnung gemäß USA Patent 2 752 792 ist unmöglich, weil freie Kreisel nicht über Drehmomentengeber verstellt werden können.

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Um trotzdem freie Kreisel mit ihrer hervorragenden Langzeit-Präzision zur Stabilisierung einer Plattform in Bezug auf die jeweilige örtliche Lotrechte einsetzen zu können, schlägt die Erfindung vor, daß auf der Plattform zwei freie Kreisel befestigt sind, welche Richtungsänderungen der Plattform in Bezug auf den Raum messen, daß zur Stabilisierung der Plattform ein Regelkreis die Kreisel über Aufrichtvorrlchtungen mit der Plattform verbindet und daß an den Regelkreis eine Rechenvorrichtung angeschlossen ist, welche den '"'nderunger. der örtlichen Lotrechten in Bezug auf den Raum entsprechende Signale in den Regelkreis einführt.

Eine Plattform, welche ständig in Richtung der örtlichen Lotrechten ausgerichtet ist und somit trotz Erdumdrehung und Bewegung der Plattform von einer geographischen Position zu einer anderen mit ihrer Ebene ständig parallel zur Erdoberfläche liegt, stellt für viele Anwendungsfälle eine ootimale Bezugsbasis für ein Sternverfolgungsgerät, photographische oder andere Geräte dar.

Je nach Art der Anwendung kann es erforderlich sein, die Plattform auch gegen Drehung um die Örtliche Lotrechte zu stabilisieren. Eine auf die örtliche Lotrechte bezogene Anordnung gemäß der Erfindung kann mit oder ohne eine solche Stabilisierung gegen Drehung um die Lotrechte arbeiten. Von der folgenden Beschreibung der Erfindung ist jedoch ersichtlich, dab

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diese auch die Stabilisierung der Plattform gegen solche Drehungen um das Ortslot umfaßt. Mit einer solchen Stabilisierung erhält man gleichzeitig eine Bezugsgröße für die Messung der Plugrichtung parallel zur Erdoberfläche.

Als Drehkörper der Kreisel dient vorzugsweise ein kugelförmiger Rotor, der allseitig drehbar in einem an der Plattform befestigten Träger gelagert ist, so daß er außer seiner Rotationsachse weitere, freie Achsen aufweist und damit Drehungen des Trägers und der Plattform in Bezug auf die Kreiselachse (Spinachse) um jede beliebige, mit der Kreiselachse einen Winkel einschließende Achse zu messen gestattet. Der Rotationskörper kann beispielweise elektrostatisch oder in Gaslagern aufgehängt sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind an den Rechner die Ausgänge von Beschleunigungsmessern angeschlossen, welche Positionsänderungen des Plugzeuges in Bezug auf die Erde messen. Die Beschleunigungsmesser behalten ihre relative Lage in Bezug auf die Plattform bei, folgen also den Bewegungen der Plattform, so daß ihre Ausgangssignale auf eine stabile Bezugsgröße bezogen sind.

Die Erfindung und dazugehörige Einzelheiten werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Hierin zeigt Figur 1 schematisch die beweglichen Teile einer Ausricht-

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anordnung gemäß der Erfindung,

Figur 2 den Punktionsplan einer Meßanordnung mit der

Figur
Kreiselplattform gemäß/1 und zugehörigen Rechenschaltungen und

Figur 3 das Blockschaltbild eines Trägheitsnavigations- oder Leitsystems für ein Flugzeug mit der erfindungsgemäßen Anordnung.

In den Zeichnungen sind gleiche oder ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist die Plattform 12 in Kreiselrahmen gelagert, die eine Drehung der Plattform um drei zueinander senkrechte Achsen erlauben. Die Plattform wird von einer Achse 13 getragen, die drehbar im inneren Rahmen 14 gelagert ist, der seinerseits an der Achse 15 befestigt und mittels dieser im äußeren Rahmen 16 schwenkbar ist. Der Rahmen 16 wird von der Achse 17 getragen, die an der Zelle des Flug- oder Raumfahrzeuges drehbar gelagert ist. Auf diese Weise kann die Plattform 12 bei den normalen Winkelbewegungen des Flugzeugs in einer stabilen Lage gehalten werden.

Die Plattform 12 trägt zwei freie Kreisel 20 und 21, deren Rotoren mit ihrer Kreiselachse rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Die Kreisel 20 und 21 können in allen Richtungen freie Kreisel sein,mit einem Träger oder Gehäuse und einem kugelförmigen Rotor, der allseitig drehbar im Träger gelagert

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ist und um seine Spinachse rotiert, welche bei allen Bewegungen des Trägers im Raum ihre Richtung beizubehalten trachtet. Die Drehung des Trägers gegenüber dem Kreiselrotor um jegliche Achse, welche mit der Spinachse einen Winkel einschließt, kann vom Kreisel festgestellt und gemessen werden. Für diese Zwecke geeignete Kreisel sind beispielsweise in der USA Patentschrift 2 959 060 beschrieben.

Der eine Kreisel kann beispielsweise Drehungen der Plattform um die Hochachse und um die Längsachse der Plattform messen, während der andere Kreisel Drehungen um die Hochachse und um die Querachse mißt. Alle Messungen erfolgen, da die Rotorachse ihre Lage im Raum beibehält, gegenüber dieser Rotorachse, also gegenüber dem Trägheitsraum. Jeder der beiden Kreisel 20 und 21 wirkt somit als ein Kreisel mit zwei Freiheitsgraden und liefert zwei Richtungssignale, wovon eines beiden Kreiseln gemeinsam ist. Demzufolge ist ein Ausgangssignal des einen Kreisels überzählig oder redundant.

Drei auf lineare Bewegungen ansprechende Beschleunigungsmesser 23, 24,. 25 sind in fester Lage in Bezug auf die Plattform befestigt, was in der Zeichnung dadurch zum Ausdruck gebracht ist, daß diese Beschleunigungsmesser an der Achse 13 befestigt sind. Sie sprechen auf Beschleunigungen in drei zueinander orthogonalen Richtungen an, wobei der eine Beschleunigungsmesser 25 beispielsweise Beschleunigungen der Plattform in

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Ost-West-Richtung mißt, der zweite Beschleunigungsmesser 24 auf Beschleunigungen in Nord-Süd-Richtungen anspricht und der dritte Beschleunigungsmesser 23 Beschleunigungen in Richtung der örtlichen Vertikalen feststellt.

Der Plattform 12 ist ferner eine Servovorrichtung für den Kursrahmen mit einem Motor 28 und einem Getriebe 27 zugeordnet, mit deren Hilfe die Lage der Plattform um die Drehachse 13 verstellt werden kann. Ein Servokreis für den Längsneigungsrahmen enthält den am äußeren Rahmen l6 befestigten Motor 31 und ein Getriebe 30 zur Einstellung des Kardanringes 14 und damit auch der Plattform 12 um die Achse 15. Die Rollrahmen-Servovorrichtung umfaßt den am Gestell des Plugzeuges befestigten Motor 33 mit Getriebe :9, über den die Stellung des Kardanrings 16 und damit auch der Plattform 12 in Bezug auf die Achse 17 eingestellt werden kann.

Die Anwendung der in Figur 1 gezeigten Kreiselplattform in einem Gerät zur Erzeugung einer auf das Ortslot bezogenen Bezugsgröße wird nunmehr anhand von Figur 2 beschrieben. Die mechanische Verbindung der Kreisel 20 und 21 mit der Plattform 12 ist durch die Verbindung 46 gekennzeichnet. Die Ausgangssignale der Kreisel 20 und 21 wirken über eine Verbindung, welche die Leitung 42, den Rechner 47 und die Leitung 48 enthält, auf die Servomotoren 23, 31 und 38 für die einzelnen Rahmen ein. Es entsteht somit ein Regelkreis G, der, sofern der Rechner 47 nichts anderes bestimmt, die Plattform 12 um alle drei Achsen raumfest stabilisiert, weil die Kreisel 20 und 21 auf Bewegungen der

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Plattform 12 im Raum ansprechen. Der Regelkreis G allein würde demzufolge nicht in der Lage sein, die Plattform 12 in Bezug auf die örtliche Vertikale, mit anderen Worten konstant in horizontaler Lage, zu stabilisieren, weil das Flugzeug sich einerseits in Bezug auf die Erde und andererseits infolge der Erdumdrehung auch in Bezug auf den Raum bewegt. Diese beiden Wirkungen haben zur Folge, daß sich die Lage der Örtlichen Vertikalen im Raum ändert. Die örtliche Vertikale oder Lotrechte ist praktisch der Radiusvektor vom Standort de» Flugzeuges zum Mittelpunkt der Erde bzw. eines sonstigen Bezugskörpers.

Zur Kompensation dieser beiden Wirkungen ist der Rechner 47 in den Regelkreis G eingefügt. Die Beschleunigungsmesser 24 und 25 sind ortsfest in Bezug auf die stabilisierte Plattform 12 befestigt, wie dies in Figur 2 durch die Verbindung 52 angedeutet ist. Ihre Ausgangssignale gelangen über den Verstärker und die Leitung 55 zum Rechner 47. Der Rechner erhält also Informationen über die Bewegungen des Flugzeuges in Richtung zweier zueinander senkrechter, horizontaler Achsen und kann bei geeigneter Programmierung Änderungen der Richtung der örtlichen Vertikalen berechnen, die sich aus der Positionsänderung des Flugzeuges in Bezug auf die Erde ergeben.

Darüber hinaus kann er auch änderungen der Richtung der örtlichen Vertikalen berechnen, die auf die Erdumdrehung zurückzuführen sind. Der Rechner 47 führt in den Regelkreis G ein

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Änderungen der Richtung der örtlichen Vertikalen in Bezug auf den Raum berücksichtigendes Kompensationssignal ein. Praktisch entsteht ein zweiter Regelkreis P, der auf die beiden obengenannten, die Änderung der Richtung der örtlichen Verti- kalen verursachenden Paktoren anspricht. Der Rechner braucht nicht im Regelkreis zu liegen, sondern kann ein sich langsam änderndes Bezugssignal liefern, mit dem die Ausgangssignale der Kreisel verglichen werden, so daß ein Pehlersignal zur Steuerung der Servoantriebe für die Rahmen entsteht.

Da der Regelkreis P nicht auf Längsneigungs- und Rollbewegungen des Plugzeuges anspricht, ist er allein nicht ausreichend. Gleichermaßen genügt auch der Regelkreis G für sich allein nicht, weil er die Langzeitänderungen der Örtlichen Vertikalen infolge Positionsänderung des Plugzeuges und Erdumdrehung nicht berücksichtigt. Beide Regelkreise zusammen jedoch stabilisieren die Plattform 12 in Bezug auf die örtliche Vertikale, wobei der Regelkreis*G die kurzzeitigen Richtungsänderungen des Plugzeuges berücksichtigt, während der Regelkreis P den sich über längere Zeiträume erstreckenden Richtungsänderungen im Raum infolge der Positionsänderungen über der Erde und der Erdumdrehung Rechnung trägt.

Figur 3 zeigt ein Leit- oder Navigationssystem für Fahrzeuge, beispielsweise Flugzeuge, mit einer solchen Vertikalbezugsanordnung und der Steueranlage des Flugzeuges. Die Steuer-

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anlage umfaßt das Seitenruder, die Querruder und das Höhenruder eines normalen Plugzeuges oder andere Vorrichtungen, um in ähnlicher Weise die Richtung des Plugzeugs zu ändern. Beschleunigungsänderungen des Plugzeugs 45 wirken auf die Linearbeschleunigungsmesser 23 bis 25 ein, welche auf der Plattform 12 befestigt sind und Beschleunigungssignale an den Rechner 43 liefern. Dieser erhält ferner über die Leitung die Ausgangssignale der Kreisel 20 und 21 und gibt über die Leitung 43 Signale ab, die in einem Servonetzwerk 50 mit Winkelgeschwindigkeitssignalen kombiniert werden. Letzter.e werden über die Leitung 62 von den Wendekreiseln 6l geliefert, die ebenfalls auf der Plattform 12 angebracht sind und Vorhaltegroben für die Einstellung der Plattform 12 liefern. Das Ausgangssignal des Servonetzwerkes 50 wird konventionellen Resolvern 51 zugeleitet, deren Ausgangssignale die Servoantriebe 28, 31 und 38 für die einzelnen Rahmen bzw. Kardanringe steuern und damit die Plattform in Bezug auf die örtliche Vertikale stabilisieren. Von den Kreiseln 20 und 21 und den Beschleunigungsmessern 23 bis 25 erhält der Rechner 43 die nötigen Informationen über Richtung und Bewegung des Plugzeuges, um hieraus die erforderlichen Steuersignale für den Flugregler 56 abzuleiten, der auf die Steueranlage 57, also beispielsweise die verschiedenen Steuerflächen des Plugzeuges, einwirkt. Wie man sieht, erreicht die Erfindung eine Stabilisierung der Plattform in Bezug auf die Örtliche Vertikale oder mit anderen Worten ständig parallel zur Erdoberfläche,

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ohne den Träger der auf der Plattform befestigten Kreisel über Drehmomentengeber verstellen zu müssen.

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Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zum Ausrichten einer in einem Luft- oder Raumfahrzeug von Kardanrahmen getragenen Kreiselplattform in Richtung der jeweiligen örtlichen Lotrechten zur Erde oder einem sonstigen Bezugskörper, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Plattform (12) zwei freie Kreisel (20, 21) befestigt sind, welche Riehtungsänderungen der Plattform in Bezug auf den Raum messen, daß zur Stabilisierung der Plattform ein Regelkreis die Kreisel über Aufrichtvorrichtungen mit der Plattform ver-

bindet und

daß an den Regelkreis eine Rechenvorrichtung (^7) angeschlossen 1st, welche den Änderungen der örtlichen Lotrechten in Bezug auf den Raum entsprechende Signale in den Regelkreis einführt.

2. Anordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisel (20, 21) einen in einem an der Plattform (12) befestigten Gehäuse elektrisch gelagerten Rotor aufweisen.

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3· Anordnung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor elektrostatisch gelagert ist und außer um seine Spinachse um weitere Achsen beweglich ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder j?_f dadurch gekennzeichnet, daß der Kreiselrotor allseitig um beliebige Achsen beweglich gelagert ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel einen an der Plattform befestigten Träger sowie einen kugelförmigen, in dem Träger allseitig drehbaren, um seine Spinachse rotierenden Rotor aufweist und Drehungen des Trägers gegenüber der Spinachse um beliebige, mit dieser einen Winkel einschließende Achsen mi3t.

6. Anordnung nach einem der AnsnrUche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform (12) um drei zueinander orthogonale Achsen (13, 15» 17) drehbar ist.

Y. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis ·';, dadurch ;<; e V e η η ζ ο i ο h net, da..i an den Rechner (47) die t\u'"i^rlii-F^f' von Posi.ti ■. fisün'ierungen des pju^zeu";:"· L-: Fez i.^r .■iii! ί 1 r- Er<\<: \r.<;^Z':^:·]' \'^:·:ι Bosch ί eijr:" ;"ι.ιη>::-νΓ"':-:;ί-:-?'"-:; ';-' "'>■ r ί" 2\ ) Li:.'y'f:. '"!ti ' '.'T.o'.-r. :: I fid .

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8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsmesser (23 bis 25) den Bewegungen der Plattform (12) folgend befestigt sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (47) Teil des Regelkreises ist, Eingangssignale von den Kreiseln (20, 21) erhält und Steuersignale an die Aufrichtvorrichtungen (28, 31, 33) für die Plattform (12) liefert.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Kreisel Drehungen der Plattform (12) um die Hochachse (13) und um die Längsachse der Plattform und der andere Kreisel Drehungen um die Hochachse und die Querachse miut.

11. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem folgenden, d a d u r ch gekennz ei chne t, da^ auf der Plattform (12) zusätzlich Winkelbewegungen der Plattform in Bezug auf den Raum messende Wendekreisel (6l) angebracht sind.

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