DE2020254A1 - Kreiselstabilisierte Plattform - Google Patents

Description

Krciselstabilieierte Plattform

Die Erfindung betrifft eine kreiselstabilisierte Plattform mit einer kardanischen Rahmenanorunung und kitt ein zur Übertragung von Signalen über /lie It ahme η.

Bei kreiseistabilisierten Plattformen kann die elektrische Signalübertragung von liaiimen zu Rahmen nicht über feste, unbewegliche leitungen erfolgen, da diese'Rahmen relativ zueinander sich verdrehen. Bei Hahmen mit begrenzter Drehfreiheit können flexible Leitungen verwendet werden, die eine Verdrehung der Rahmen in einem gewissen Bereich gestatten. Bei durohdrehbaren Rahmen ist dien iiicht möglich. An dienen Achpen werden bei praktisch ausgeführten Plattformen ausschließlich mechanische Schleifringe (ca. 30-bü pro Achse) verwendet.

wichtiger Gesichtspunkt beim Bau von Plattformen ist, die an den einzelnen Achsen wirkenden mechanischen Momente so klein wie irgend möglich zu halten. Diene Momente wirken als ungewollte fjtörmoiiiunte', die eino Verdrehung des stabilisierten Elements verurr-jaehon und durch die Piattformtservokreiae kompensiert werden müssen. Dieu geschieht vereinfacht ausgedrückt dadurch, daß. fiäfi H-ui' dem ti tabl Lisier ten iSleinent montierten Kreisel als

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Pootscheckkonto Esoüd 47247 · Cormnor/bnnk AG, Düosoldorf, Deposltenkoeee Hauptbahnhof

Lagemeßfühler bei einer Verdrehung Ausg-rngsaignale erzeugen, die nach entsprechender Verarbeitung in der Plattformelektronik Motore ansteurn, die auf jeder Plattformachae sind und die Auslenkung bis auf einen kleinen Restwert wieder rückgängig machen. Die Größe der 'Motore geht entscheidend in die Größe der Plattform und damit auch in das Gewicht der Plattform ein. Mit der Größe der Motoren ist entsprechend die Größe der notwendigen Ansteuerverstärker verknüpft, so daß mit einer Verkleinerung der Motoren auch eine Verkleinerung der Ansteuerverstärker verbunden ist. Dies hat wiederum eine Verkleinerung des Plattformnetzgerätes zur Folge, Ansteuerverstärker, sowie Netzgerät spielen bei der Leistungs- und Gewichtsbilanz der Plattformelektronik eine wesentliche Rolle. Die Ansteuerverstärker sind im allgemeinen die größten Leistungsverbraucher innerhalb einer Plattformanlage.

Die vorher erwähnten Signalübertragungselemente, nämlich flexible Leitungen und Schleifringe, haben den Nachteil, daß sie an den Achsen Momente erzeugen. Dies sind bei den flexiblen Leitungen Federrückstellmomente und bei den Schleifringen Reibung3momente. Ein weiterer Nachteil bei den Schleifringen ist ihre geringe Lebensdauer und ihre geringe Zuverlässigkeit. Außerdem ist die Funktion der Schleifringe über den ganzen Drehbereich, insbesondere unter dem Einfluß von mechanischen Vibrationen schwer zu prüfen.

Da die Kontaktgabe und damit der Kontaktwiderstand der Schleifringe nicht völlig unabhängig von der Winkeleinstellung sind (Kontaktrauschen), müssen außerdem kleine Signale vor der Übertragung durch Vorverstärker verstärkt v/erden. Dies sind bei einer Trägheitsplattform im allgemeinen die Ausgangssi^nale der Kreisel und Beschleunigungsmesser, so daß sechs dieser Vorverstärker auf dem stabilisierten Element erforderlich sind.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die um die Eahmenachsen wirkenden Störmomente zu vermindern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Übertragung mehrerer Signale in Serie über einen einzigen Übertragungskanal im Frequenz-'oder Zeitmultiplexverfahren erfolgt.

Sämtliche zur Signalübertragung erforderlichen Übertragungskanäle können hierbei bis auf einen.entfallen. Das Verfahren ist für die /übertragung von elektrischen Signalen kleiner Leistung (Kreisel- und Beschleunigungsmessersignale, Winkelabgriffsignale, Überwachungssignale), nicht jedoch zur Übertragung von Leistungen wie Heizleistung und Kreiselmotorleistung geeignet. Zusätzlich ^ zur Einsparung von Schleifringen und der damit verbundenen Rediizierung der Störmomente ergeben sich auch Vorteile bezüglich der Zuverlässigkeit und der Möglichkeit zur Einführung weiterer vorteilhafter Plattformkomponenten.

Während bei dem bekannten Verfahren sämtliche Signale parallel übertragen werden, d.h. für jedes Signal ein getrennter Übertragungsweg zur Verfugung steht, wird nach der Erfindung eine Mehrfachausnutzung des Übertragungsweges durchgeführt. (Multiplexbetrieb) . Frequenzmultiplex- und Zeitmultiplexbetrieb sind durchführbar, wobei jedoch der Aufwand beim Zeitmultiplexverfahren wesentlich geringer ist. Bei diesem Zeitmultiplexverfahren geschieht die Signalübertragung in der Weise, daß durch einen ™ elektronischen Schalter nacheinander sämtliche zu übertragenden Signale abgetastet und nacheinander in zeitlicher Reihenfolge als-.Pulsamplitudenmodulation übertragen werden. Am Ende der Übertragungsstrecke wird durch einen zweiten synchron mit dem ersten laufenden elektronischen Schalter die Zuordnung der einzelnen, in zeitlicher Reihenfolge kommenden Signale auf die entsprechenden Empfänger durchgeführt. Nach dem'Abtasttheorem-

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der Nachrichtenteclinik geht hierbei keinerlei Information verloren, sofern die Abtastfrequenz f folgende Bedingung erfüllt:

^fa * ^{2 f}h

wobei f, die höchste zu übertragende Frequenz bedeutet. Da sämtliche Vorgänge in der Plattform mit niederen Frequenzen ablaufen, ist die Einhaltung dieser Bedingung mit den heute verfügbaren Bauelementen ohne Schwierigkeiten durchführbar, z.B. ergibt sich bei einem f, = 100 Hz eine minimale Abtastfrequenz f = 200 Hz

η α.

entsprechend einer Abtastperiode von 5 msec. Bei einer Kanalzahl von 20 folgt daraus ein Kanalabstand von 250 usec entsprechend einer Pulsfolgefrequenz von 4 kHz. Infolge endlicher Flankensteilheit der Filter muß die Pulsfolgefrequenz darüber gewählt werden. Dies ist technisch nicht schwierig, da elektronische Schalter im Megahertz-Bereich arbeiten.

Die Ansteuerung des Multiplexers erfolgt zweckmäßigerweise durch die Kreiselabgrifferregungsspannung. Diese Spannung gehört nicht zu den von dem innersten Rahmen nach außen zu übertragenden Signalen, sondern wird zusammen mit den anderen zur Leistungsversorgung erforderlichen Spannungen parallel in der üblichen Weise über Schleifringe übertragen. Dadurch ist diese Spannung auf jedem Rahmen vorhanden und geeignet, sowohl den Multiplexer auf dem innersten Rahmen als auch den Multiplexer auf dem Zwischenrahmen anzusteuern. Diese Multiplexer auf Zwischenrahmen sind erforderlich, falls Signale von diesen Rahmen auf den Multiplexübertragungsweg vom innersten Rahmen nach außen mit aufgeschaltet werden sollen (Winkelabgriffsignale oder Schaltsignale von bürstenlosen Rahmenmotoren); Diese Aufschaltung soll in der Weise erfolgen, daß sämtliche Multiplexer infolge der gemeinsamen Ansteuerung synchron laufen und die zeitliche Zuordnung entsprechend festgelegt wird. Die Einkopplung erfolgt durch Summation der zeitlich versetzten .Signale.

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Bine Abschätzung ergibt, daß bei einer üblichen Plattform durch die Erfindung etwa 10-20 Schleifringe pro Achse entfallen könnten (an der innersten Achse etwa TO, an der äußersten Achse etwa 20). Diese Werte sind üblichen Plattformen entnommen, wobei zu berücksichtigen ist,„ daß hierbei bei der Auslegung von vornherein von einer sehr begrenzten Zahl von Schleifringen ausgegangen wird. Bei Einführung des Multiplexbetriebes könnten aber leicht über diese Zahl hinaus zusätzliche Übertragungskanäle geschaffen werden, so daß dann auch Verfahren mit Vorteil angewendet werden könnten, die bei Parallelbetrieb nicht durchführbar sind. Dies betrifft insbesondere die in steigendem Maße gewünschte Verwendung von digitalen Winkelabgriffen (ca. 14 Schleifringe pro Achse, d.h. ca. 28 Schleifringe an der äußersten Achse) sowie die Verwendung von bürstenlosen Rahmenmotoren. Durch die Einführung digitaler Winkelabgriffe könnten die aufwendigen und langsamen Synchro-Digital-Wandler entfallen und die Genauigkeit erhöht werden. Durch Einführung bürstenloser Gleichstrommotore könnte das Reibmoment an den Achsen mit seinen weitgehenden Konsequenzen verringert werden und die Gefahr des Bürstenfeuers beseitigt werden. Da diese Gefahr bei niederem luftdruck besonders groß ist, müssen aus diesem Grund Plattformen mit Gleichstrommotoren für ■Raumfahrtanwendungen hermetisch dicht verschlossen und mit Schutzgas gefüllt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann eine Überwachungseinrichtung zur ständigen Überwachung der· Funktion des Übertragungskanals mittels eines Pilottons vorgesehen sein. Es ist auch weiterhin möglich, daß mehrere redundante Übertragungskanäle parallel geschaltet sind oder daß bei Ausfall eines Übertragungskanals durch die Überwachungseinrichtung eine Umschaltung auf einen oder mehrere der redundanten Übertragungskanäle automatisch durchgeführt wird.

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Durch einen einzigen sogenannten Pilotton, der bei jedem Abtastzyklus mit konstanter Amplitude auf einem der Zeitmultiplexkanäle übertragen wird, kann die ordnungsgemäße Punktion sämtlicher Übertragungselemente von dem stabilisierten -"lenient bis r.ach außen geprüft v/erden. Dies ist bei Parallelausgabe praktisch nicht realisierbar, da hierbei sämtliche Kanäle überprüft werden müßten, wobei an sämtliche Eingänge definierte Eingangssignale gelegt werden müßten. Bei Serienausgabe ist es ferner möglich, durch wenig Aufwand Redundanz einzubauen, indem ein zweiter oder auch mehrere Übertragungskanäle eingebaut werden. Die Übertragungsstrecken können entweder parallel betrieben werden, oder aber es kann automatisch bei Ausfall des Pilottones auf einen anderen Kanal umgeschaltet werden.

Durch die Verwendung der Serienübertragung anstelle der Parallelübertragung reduziert sich auch der Umfang der Verkabelung auf den Rahmen, da die Verkabelung der hintereinander geschalteten eingesparten Schleifringe an den einzelnen Achsen entfällt.

Bei Verwendung der Serienausgabe ist es nicht mehr erforderlich, für jedes Kreisel- und Beschleunigungssignal einen getrennten Vorverstärker vorzusetzen, ao daß 3ich die Zahl der Vorverstärker von im allgemeinen sechs auf einen reduziert.

Der zusätzliche Aufwand für das Multiplexverfahren wird daher durch die dadurch erzielten Einsparungen, nämlich kleinere Motore, Ansteuerverstärker geringerer leistung, kleinere Schleifringpatronen an drei oder vier Achsen und Wegfall von fünf Vorverstärker, geringere Plattformverkabelung mindestens kompensiert, wobei zusätzliche Vorteile hinsichtlich der Arbeitsweise der Plattform erzielt werden.

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Die Signalübertragung von. Rahmen zu Rahmen kann jeweils mittels eines einzigen Schleifringes erfolgen. Die Erfindung macht es aber auch möglich, daß der Übertragungskanal wenigstens einen signalübertragenden, kontaktlosen Abgriff an jeder Rahmenachse enthält.

Bei Verwendung der Parallelausgabe ist die kontaktlose Signalübertragung durch die große Zahl der benötigten Kanäle konstruktiv schwer durchzuführen. Hierbei müßten nämlich am Mantel der Achse des Rahmens parallel nebeneinander eine Reihe von· Übertragungskanälen aufgebaut werden. TJm bei diesel Anordnung die Übertragung invariant gegen Achsendrehungen zu machen, d.h. unabhängig von der Stellung der Achse die Übertragungsdämpfung konstant zu halten, könnte dies mit einer Anzahl von ringförmig ausgebildeten Kondensatoren, oder Spulen durchgeführt werden. Nachteilig bei diesen Kopplungsarten ist die Tatsache, daß diese Abgriffe nur Wechselspannungen zu übertragen erlauben, daß die Ü"bertragungsdämpfung frequenzabhängig ist und daß eine gute elektrische Abschirmung erforderlich ist. Eine Kopplung durch Licht, das diese Fachteile nicht besitzt, ist hierbei technologisch sehr schwer herzustellen, da dazu homogene ringförmige Fotoempfangsdioden und ^missionsdioden erforderlich wären. Diese Schwierigkeiten lassen sich bei der Erfindung umgehen, da nur noch ein Überträgungskanal benötigt wird, so daß die Signalübertragung nicht an dem Mantel, sondern an der Stirnfläche der Welle, und zwar in Richtung der Symmetrielinie der Welle, erfolgt.

Die kontaktlose Signalübertragung kann auf kapazitivem oder induktivem Wege erfolgen. Eine besondere vorteilhafte Lösung besteht aber darin, daß der kontaktlose Abgriff aus einem strah-■ lungsemittierenden.. Halbleiterbauelement, (z.B. einer Galliumarseniddiode) als Sender und einem strahlungsempfindlichen Halbleiterbauelement (z.B. einem Phototransistor) als Empfänger besteht und die Lichtausbreitungsrichtung mit der Symmetrieachse der besagten Eahiaenachse übereinstimmt.

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Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläutert:

Figur 1 ist eine schematische Darstellung und zeigt einen erfindungsgemäßen Ubertragungskanal, der nach dem Zeitmultiplexverfahren arbeitet.

Figur 2 zeigt schematisch eine bei der Erfindung anwendbare kontaktlose Signalübertragung.

In Figur 1 sind mit 10 und 12 zwei Multiplexer bezeichnet. Das sind synchron zueinander mit hoher Frequenz betätigte elektronische Schalter (die hier durch mechanische Umschalter symbolisiert sind) und die periodisch nacheinander verschiedene Signaleingänge a - e an einen einzigen Übertragungskanal 14 legen und synchron damit diesen Ubertragungskanal mit verschiedenen zugeordneten Signalausgängen a¹ - e' verbinden.

In dem einzigen Übertragungskanal 14 liegt ein Vorverstärker 16. Die verstärkten Signale werden von einer Leitung 18 am innersten Rahmen der Plattform auf einen Schleifring 20 gegeben, der an der Achse dieses innersten Rahmens vorgesehen ist. Auf dem Schleifring 20 liegt ein Schleifkontakt 22 auf, der an dem nächstäußeren Rahmen angebracht und über eine Leitung 24 mit einem Schleifring 26 auf der Achse dieses Hahmens verbunden ist. Ein Schleifkontakt 28 des äußersten Rahmens liegt auf dem Schleifring 26 und ist über eine Leitung 50 mit einem Schleifring 32 auf der Achse des äußersten Rahmens verbunden. An diesem Schleifring 32 liegt ein Schleifkontakt 34 an, der mit dem "Kontaktarm" (bzw. dessen elektronischem äquivalent) des Multiplexers 12 verbunden ist. Es werden so über den einen ^bertragungskanal nacheinander die Signaleingänge a, b ... e mit den zugehörigen Signalausgängen a', b' ... e¹ verbunden.

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Es i-st somit für jede Achse zur Signalübertragung nur ein Schieifring erforderlich, was zu einer Verminderung der auf die Plattformrahmen wirkenden · Störmomente führt. Die Erfindung macht es aber möglich, die Signalübertragung überhaupt kontaktlos vorzunehmen.

Wie in Figur 2 schematisch angedeutet ist, befindet sich auf der Stirnfläche der Achse 36 eine lichtemittierende Quelle, zweckmäßigerweise eine Gfalliumarseniddiode 38 als Sender und auf dem feststehenden Teil eine-Fotodiode oder ein Fototransistor 40 als Empfänger, Sender und Empfänger können ge nachdem, ob die Signalübertragung von innen nach außen oder von außen nach innen erfolgt, gegeneinander vertauscht werden. Die Strahlung kann im, sichtbaren oder auch iia unsichtbaren Spektralbereich liegen. Die Anordnung ist so gewählt, daß die Strahlungsrichtung mit der Symmetrieachse der Achse zusammenfällt. Entsprechende Bauelemente sind seit einigen Jahren auf dem Markt. Die Anordnung sieht weiter vor, daß die Zuführungsdrähte 42 für den Sender oder Empfänger in einer Bohrung der Achse 36 geführt werden. An jeder Achse 36 zwischen zwei sich relativ zueinander verdrehenden Rahmen ist eine solche Anordnung angebracht. Zur Erzeugung von Hedundanz kann zusätzlich eine zweite Anordnung am anderen Ende jeder Achse eingebaut werden. ·

Im Vergleich zu anderen kontaktlosen Abgriffen, wie induktive oder kapazitive Abgriffe, hat die Mchtauskopplung die Vorteile, daß die getrennte Herausführung einer Erde entfällt (diese Elemente sind zweipolig im Gegensatz zu den anderen Abgriffen) und daß dieser Abgriff breltbandig, frequenzunabhängig und gleichstromgekoppelt ist. Dies bedeutet, daß die Signalart und die Frequenz in jedem der Zeitmultiplexkanäle beliebig sein und jede Handlung entfallen, kann, " ■■

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Anstelle einer Fotodiode oder eines Fototransistors als empfänger ist ea auch möglich, einen fotowiderstand zum Empfang der Strahlung zu verwenden.

DLese lichtgekoppelten Elemente sind für die Übertragung von analogen Kreisel- und Beschleunigungsmessersignalen sowie von analogen ÜberwachungsSignalen sowie prinzipiell von jeder Art digitaler Signale geeignet. Die übertragung sehr genauer analoger Signale, wie Synchrosignale dagegen ist im allgeneinen nicht möglich, da die Linearität der Übertragungsstrecke nicht den hohen Anforderungen genügt, lediglich für den Pail, daß die Plattform in einem Hullsystem betrieben wird; in dem durch ein Regelsystem die Synchrosignale auf l-ull geregelt werden, ist auch die "übertragung von analogen Synchrospannungen möglich. Da jedoch in zunehmendem Maße die Anwender von Plattformen die V/inkelsignale in digitaler Form benötigen, entfällt dieses Problem bei Verwendung digitaler Winkelabgriffe,

Im Vergleich zu mechanischen Schleifringen ergibt sich bei der vorgeschlagenen Lichtauskopplung neben den 7/egfall jeglicher Reibung eine höhere Zuverlässigkeit und eine höhere Lebensdauer, da diese Auskoppelelemente aus Halbleitern bestehen und frei von mechanischer Abnützung sind. Außerdem sind diese Auskoppelelemente außerordentlich widerstandsfähig gegenüber mechanischer Vibration, was bei mechanischen Schleifringen nicht der Fall ist.

Die heute auf dem Markt erhältlichen Strahlungsemittierenden G-alliumarseniddioden sind ebenso wie die Foto-Smpfangsdioden oder Transistoren für den vorgeschlagenen Einsatz ohne weiteres verwendbar. Die Anstiegszeiten erhältlicher Sendedioden liegen bei etwa 70-100 ITanoSekunden, die Anstiegszeiten von iJmpfangsdioden noch darunter bis zu etwa 1 Hanosekunde. Die Grenzfrequenz erhältlicher Sende-Snpfangs-Kombinationen (sogenannte Photonen-

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gekoppelte Isolatoren) liegen'bei etwa 3,5 -"7-MHz. Das Verhältnis zwischen dem Ausgangestrom des Empfängers und dem Eingangsstrom des Senders ist annähernd linear und beträgt bei Verwendung einer Fotodiode als Empfänger etwa 0,4 Promille. Zwischen zwei in Serie geschalteten Sende-Empfangsstrecken müßte daher in diesem Fall ein Verstärker vorgesehen werden. Der Verstärker kann eventuell entfallen, wenn zum Empfang statt einer Fotodiode ein Fototransistor verwendet wird. Missen bei zu übertragenden Wechselstromsignalen auch die Phasenlagen mit übertragen werden, wie es bei den Ausgangssignalen der Kreisel und Beschleunigungsmesser der Fall ist, so müssen diese Signale einer Gleichspannung überlagert werden. Diese Gleichspannung kann anschließend durch einen Kondensator wieder abgeblockt werden.

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Claims (4)

Patentansprüche

1./Kreiselstabilisierte Plattform mit einer kardaniachen Rahmenanordnung und Mitt.eln zur Überwachung von Signalen über die Rahmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung mehrerer Signale in Serie über einen einzigen Übertragungskanal (14) im Frequenz- oder Zeitmultiplexverfahren erfolgt.

2. Kreiselstabilisierte Plattform nach ^nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungseinrichtung zur ständigen Überwachung der Punktion des Übertragungskanals mittels eines Pilottons vorgesehen ist.

3. Kreiselstabilisierte Plattform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere redundante Übertragungskanäle vorgesehen sind und diese entweder parallelgeschaltet aind oder daß bei Ausfall eines Übertragungskanals durch die Überwachungseinrichtung eine Umschaltung auf einen oder mehrere der redundanten Übertragungskanäle automatisch auslösbar ist.

4. Kreiselstabilisierte Plattform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungskanal wenigstens einen signalübertragenden, kontaktlosen Abgriff (38, 40) an einer oder mehreren Rahmenachsen (36) enthält.

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Kreiselstabilisierte Plattform nach. Ansprucli 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der kontaktlose Abgriff aus einem strahlung s emittier end en Halbleiterbauelement (38) (z.33. einer
Galliumarseniddiode) als Sender und einem strahlungsempfindlichen Halbleiterbauelement (40) (z.B. einem Phototransistor) als Empfänger besteht und die liichtausbreitungsrichtung mit der Symmetrieachse der -besagten Rahmenachse (36) übereinstimmt.

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