DE2032439A1

DE2032439A1 - Richtungsstabilisiertes Ortungs gerat

Info

Publication number: DE2032439A1
Application number: DE19702032439
Authority: DE
Inventors: Morns Sherman Oaks Calif Weber (V St A )
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1969-07-24
Filing date: 1970-07-01
Publication date: 1971-02-04
Also published as: DE2032439C3; DE2032439B2; JPS5017136B1; NL145042B; GB1320711A; US3612643A; NL7009839A

Description

Anneldorin: Stuttgart, den 29· Juni 1970

Hughes Aircraft Company P 215^ B/kg Centinela Avenue and
Teale Street '

Quiver City, Galif., V.St.A.

Riciitungastabilisiertes Ortungsgerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein richtungsstabilisiertes Ortungsgerät mit einer Reflektoranordnung, insbesondere einem schwenkbar gelagerten Spiegel, zum Ablenken von sich längs eine optischen Pfades zwischen dem Reflektor und einem Gerätekopf ausbreitenden Lichtes, welche Reflektoranordnung eine zum optischen Pfad senkrechte Schwenkachse aufweist, mit einer mit der Reflektoranordnung in Antriebsverbindung stehenden Antriebswelle, und einem mit der Antriebswelle gekoppelten Motor.

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Bekannte Ortungsgeräte verwenden einen nominell stationären Detektor und einen Spiegel, ait dem Licht ©d@r eine andere Strahlung auf'den Detektor gelenkt wirdo Der Spiegel ist kardanisch, auf gehängt, so daß er sich ura zwei Achsen drehen und Licht aus einem weiten Richtur.-sbereich auf den Detektor lenken kann» B@i einen r'ichtungcstabilisierten Empfangsgerät sind die inner© und die äußere Kardanaufhängung v©a Motoren angetrieben und es werden zur Wahrnehmung von Störungen Kreisel und Stellungsgeber, verwendet; ä±® zum Ausgleich der Störungen die Motoren in Bewegung setsen® Der Spiegel ist bisher entweder von einem Motos¹ mit hohem Drehmoment direkt oder von einem Motor mit einem niedrigen Drehmoment über ein untersetsendee Zahnradgetriefe® angetrieben worden» Zur Verringerung d©r gum Dreh©n des Spiegels erforderlichen Zeit hat aas. sieh bemüht₉ da® Gewicht der Motoren und der daait verbundenen Einrichtungen auf ein lliiiismm zu r@amsi@r©n_e Bas Dretea des Spiegels durch die Motoren wird sowohl für ©ine Zielsuche und »Verfolgung als auch für den Ausgleich von Störungen verwendete Der Verringerung des Gewichtes des Antriebsmotors sind aber Grenzen gesetzt uad die Verwendung einer Zahnradübersetsung erhöht das bei der Verstellung des Spiegels zu übervandende Drehmoment und führt außerdem in das System schädliches Spiel ein«,

Der Erfindung liegt die Aufgabe sugrunde,, ein kompaktes und wirkungsvolles Ortungsgerät mit maximaler Hichtungsstabilität gegenüber Störungen von außen zu schaffen«,

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Antriebswelle und die Reflektoranordnung durch

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eine Getriebeanordnung gekoppelt sind, die eine Untersetzung in Verhältnis 2:1 und eine Gleiche Drehrif-htung von Antriebswelle und Reflektoranordnung bewirkt. Auf diese V/eise wird erreicht, daß die Trägheit der Ilasse eines' Teiles der Antriebsmotoren für die Richtungsstabilisierung des Spiegels ausgenutzt werden kann und nicht mehr, wie bisher, einer solchen Stabilisierung hinderlich ist.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrung3form der vorliegenden Erfindung besitzt das Ortungsgerät einen Spiegel zun Ablenken eines Lichtstrahles auf einen Detektor, auf den der Spiegel derart angeordnet ist, daß er um zwei Achsen drehbar ist. Bei der Drehung uia eine ernte Drehachse ändert üich die Blickrichtung um den doppelten Winkel wie die Stellung des Spiegels, während--sich bei der Drehung um die zweite Achse der Blickwinkel uia den gleichen Betrag wie der Drehwinkel des Spiegels ändert. Für die Drehung um die erste Achse wird der Spiegel von einer Antriebswelle angetrieben, die sich mit der doppelten Drehgeschwindigkeit und in der gleichen Richtung wie der Spiegel dreht. Ein Kreisel und ein Stellungsgeber können auf der Antriebswelle befestigt sein; die hohe Trägheit der Antriebswelle und der von ihr getragenen Einrichtungen fördert die Stabilisierung des Spiegels gegen Störungen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Spiegel ■ auf einer Spiegelwelle befestigt, die über einen Bandantrieb mit der Antriebswelle derart verbunden ist, daß

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sich die beiden 7/ellen in der gleichen Richtung in Verhältnis von 2:1 drehen. Der Anker eines !.'omentnotors ist mit der Antriebswelle verbunden und es sind auf der Antriebswelle zwei Kreisel und zwei.Stellungsgeber angebracht. Das große Trägheitsmoment der Antriebswelle neigt im Falle einer Störung des Systems dazu, die Antriebswelle in der vorbestimmten Stellung zu halten, und treibt den Spiegel mit einer die Störungen ausgleichenden Drehgeschwindigkeit an, so daß der Spiegel auf das Ziel ausgerichtet bleibt. Sogar dann, wenn dem Motor keine Energie zugeführt würde, würde im Falle einer Störung der Spiegel dazu neigen, eine feste Blickrichtung beizubehalten. Daher ist für die Steuerung des Ortungsgerätοs eine nur geringe Motorleistung erforderlich und es iet sogar bei einer Verzögerung der Energiezufuhr zum Motor eine gute Zielverfolgung gewährleistet.

Dor Spiegel und seine Antriebsvorrichtung sind auf einer äußeren Kardanaufhängung befestigt, die ihrerseits auf einem Detektorkopf drehbar angeordnet ist, um eine Drehung des Spiegels um eine zweite Achse zu ermöglichen. Die äußere Kardanaufhängung wird unmittelbar von einem I.Iomentciotor mit großem Durchmesser angetrieben^ dessen permanenter Feldmagnet an der äußeren Kardanaufhängung und dessen Anker unmittelbar an dem Detektork.opf_f befestigt ist. Dadurch wird es ermöglicht, die Hasse des permanenten Feldmagneten als Hilfe beim Stabilisieren des Spiegels gegen Störungen, die bestrebt sind, den Spiegel am die zweite Drehachse zu schwenken, zu verwenden.

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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert v/ird. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsforraen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden· Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ortungsgerätes nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie .2-2 durch das Ortungsgerät nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch das· Ortungsgerät nach Fig. 1 entlang der Linie 3-5 in Fig. 2 und

Fig. 4 das vereinfachte Blockschaltbild einer Rückkopplungsschleife des Ortungsgerätes nach Fig. 1.

Die Zeichnung zeigt ein zur Ortung dienendes Sende-Enpfangs-Gerät, das auf Panzer- und anderen Erdfahrzeugen zum "Verfolgen eines Zieles verwendet wird, Das Ortungsgerät umfaßt ein Gehäuse 10 mit einem Fenster 12. Ein Ziel kann von einem in dem Gehäuse 10 angeordneten optischen Sender (Laser) beleuchtet werden, der einen Lichtstrahlerzeugt, der durch das Fenster 12 hindurch das Ziel besclieint. Das Ziel kann-von einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Detektor wahrgenommen werden, der das vom Ziel abgestrahlte, durch das Fenster 12 eintretende Licht

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empfängt« Das Ortungsgerä'" besitast einen Gerätekopf 14, der den Laser und den Detektor umschließt. Außerdem ist ein Spiegel 16 vorhanden,, der das aus einer Vielzahl von Richtungen einfallend© Licht auf den Kopf 14- dder das vom Kopf 14 ausgehende Licht in eine Vielzahl von Richtungen reflektiert» Diese Sende- oder Empfangsrichtungen werden allgemein als Blickrichtung "bezeichnet. Der Spiegel 16 ist um zwei Achsen drehbar angeordnet, nämlich um eine innere Achse 18 sur Veränderung der Blickrichtung im Azimut und ein© äußere' Achse 20 &ur Veränderung der Blickrichtung in der Elevation® Der Kopf 14 ist nominell stationär oder mit fester Ausrichtung angeordnet, obwohl er während der Bewegung des Fahrzeuges im Gelaad© Störungen unterworfen ist. Die Blickrichtung des Ortungsgerätes ist stabilisiert₄ damit oie ungeachtet dar bei der Fahrt des !Fahrzeuges über ein rauhes Gelände auftretende» Störungen in sine faste Richtung weist» Zum Verfolgen einen sieh bewegenden Zieles oder zum Suchen eines Zieles läßt eich die Blickrichtung außerdem schwenken.

Wenn sich der Spiegel 16 ua die äußere Achse 20 dreht, dann ändert sich die Blickrichtung um den gleichen 7/inkel, um den sich der Spiegel verdreht hat» Dreht sich der Spiegel dagegen um die inner® Achse 18, die senkrecht auf dem sich vom Spiegel 16 zum Kopf 14 führenden optischen Weg steht, dann ändert sich die Blickrichtung um den doppelten Drehwinkel des Spiegels 16. Wenn sich also, wie in Fig. 3 geneigt, der Spiegel 16 ζ„Bo um 10° in die Position 16A dreht, dann schwenkt die Blickrichtung 22 um 20° in die Position 22A. Bei einem richtungsctabilisierten Ortungsgerät muß daher zuct Ausgleich einer Stör-

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wirkung der Spieg-el 16 um die Achse 18 um den halben Stürwinkel gedreht werden. Bisher ist eine solche Drehung im allgemeinen von einem LIotor mit niedriger Tourenzahl und hohem Drehmoment, dessen Rotor mit der inneren Kardanaufhängung, an der auch der Spiegel 16 befestigt ist, verbunden ict, oder von einem luotor mit kleinen Drehmoment, der mit der inneren Kardanauf- . härtung über ein Untersetzungsgetriebe mit großem überootzunG.'iVorhültnis verbunden ist, erzeugt worden. Um eine wirkungsvolle Stabilisierung des Spiegels gegenüber Störungen zu erzielen, musste man dafür Sorge tragen, das Trägheitsmoment des Rotors des Motors und des damit verbundenen Untersetzungsgetriebes klein zu halten. Das Träkhei-!;s::.oincnt des L'otors wurde möglichst klein gehalten, um die für die otörungsauagleichende Drehung des Iuotors und des Spiegols erforderliche Zeit herabzusetzen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird für den Spiegel ein Antriebsmechanismus verwendet, bei dem die Trägheit des Rotors zu der Stabilisierung des Spiegels beiträgt. Der Spiegel 16 ist auf einer in zwei Platten 26 und drehbar gelagerten Spiegelwelle 24 befestigt, die als' innere Kardanaufhängung dient. Die Platten 26 und 28 sind an einem auf dem nominell feststehenden Kopf 14 drehbar gelagerten Hing 30 befestigt und bilden zusammen mit dem Ring 30 die äußere Kardanaufhängung der Spiegeltragvorrichtung. Der Spiegel 16 kann durch Drehen der Spiegelwelle 24 um die innere Achse 18 und durch Drehen des Ringes 30 um den Kopf 14 um die äußere Achse 20 geschwenkt werden.

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Die Spiegelwelle 24 wird von einen inneren ttoffien.tmot.or 32 angetrieben, dessen Rotor mit einer Antriebswelle 34-verbunden ist. Die Antriebswelle 34- ist durch einen Bandantrieb 36 mit der Spiegelwelle 24 gekoppelt. Der Bandantrieb 56 besteht aus ersten, mit der Antriebswelle 34 verbundenen Bandscheiben 38» zweiten, auf der Spiegelwelle 24 sitzenden Bandscheiben 40 und den diese Scheiben umschlingenden Bändern 42. Der Durchmesser der beiden Riemenscheiben 40 ist doppelt so groß wie der Durchmesser der Riemenscheiben 38, so daß sich die Antriebswelle 34 un den doppelten Winkel der Spiegelwelle 24 droht, d.h. die Antriebswelle 34 und der Spiegel 16 sich jeweils im Verhältnis 2:1 zueinander drehen· Wegen des Bandantriebes 36 drehen sich die Antriebswelle 34 und die Spiegelwelle 24 stets in der gleichen Richtung. Es ist natürlich möglich, an Stelle des Bandes zur Verbindung der Scheiben 38 und 40 ein Seil oder irgend ein anderes elastisches übertragungsglied zu verwenden.

Wird das Ortungsgerät einer Y/inkelstörung um die innere Achse 18 ausgesetzt, beispielsweise beim überfahren einer Unebenheit in der Straße, dann neigt die Antriebswelle 34 dazu, ihre alte Stellung beizubehalten und dreht sich infolgedessen in bezug auf die Platten 26 und 28 in einer der Störung entgegengesetzten Richtung. Die Antriebswelle 34 dreht den Spiegel 16 in der gleichen Richtung und um die Hälfte ihres Drehwinkels, und es ist dieser halbe Drehwinkel gerade derjenige Winkel, um" den der Spiegel 16 gedroht v/erden muß, um die Wirkung der Drehstörung auszugleichen. Wenn die Antriebswelle 34 und die mit ihr verbundenen Glieder ein viel größeres Trägheitsmoment als der Spiegel 16 besitzen und eine yernachlässig-

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bar kleine Beibung angenommen wird,· dann wird der Spiegel 16 ohne Motorleistung uia die innere Achse 18

ma. einen für den Ausgleich der Störungen des Systems erforderlichen Winkel in der richtigen Richtung gedreht. Der innere Motor 32 kann die Energie liefern, die zur tJberwindung der Reibung und des nicht unerheblichen Trägheitsmomentes des Spiegels notwendig ist· Bei einem großen Trägheitsmoment der Antriebswelle 34- ist jedoch eine nur sehr geringe Motorleistung erforderlich. Falls ferner nach dem Peststellen einer Störung eine Verzögerung in der Leistungsabgabe des Motors eintritt, so hat diese Verzögerung nur eine minimale Y/irkung, da die Kompensation zum größten Teil ohne Motorleistung selbsttätig stattfindet. Der Bandantrieb hat im wesentlichen kein Spiel und erlaubt im Gegensatz zu einem Zahnradgetriebe eine Drehung der Antriebswelle und des Spiegels in der gleichen Richtung unter Verwendung einer einfachen Kopplung mit kleiner Trägheit.

Die Trägheit der Antriebswelle 34 ist ferner noch dadurch erhöht, daß auf ihr zwei Kreisel 44 und 60 und zwei Stellungsgeber 46 und 48 befestigt sind. Die Stellungsgeber 46 und 48, bei denen es eich um Potentiometer oder Analog Digital-Umsetzer handeln kann, sind auf einem Flansch 50 der Antriebswelle 34 befestigt, haben jedoch mit einem Zahnrad 52, das an dem Gehäuse des inneren Motors 32 und damit an der Platte 26 befestigt ist, gekoppelte Stellglieder. Ein Stellungsgeber 46 und der Kreisel 44 sind in eine herkömmliche Rückkopplüngsschleife geschaltet, über die der innere Motor 32 angetrieben wird. Y/enn das Ortungsgerät auf ein festes Ziel ausgerichtet ist, dann wird der Motor 32 durch die Rückkopplungsschleife

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derart angetrieben, daß die Antriebswelle 54 und die Blickrichtimg in bezug.auf die innere Achse 18 eine konstante Winkelstellung beibehalten.

Der Ring 30» die Platten 26 und 28 und alle an ihnen befestigten Einrichtungen sind mittels zweier einen großen Durchmesser aufweisender Lager 50 und 52 auf dem Kopf 14 drehbar gelagert. Die inneren Bahnen der Lager sind auf dem Kopf 14 und die äußeren Bahnen an dem Ring 30 befestigt. Als Antrieb für den Ring 30 wird ein llomentmotor 5^· mit großem Durchmesser verwendet, dessen permanenter Feldmagnet 56 auf dem Ring 30 und dessen Anker 58 auf der Außenseite des Kopfes 14 befestigt sind. Die Blickrichtung 22 ändert sich um den gleichen T/inkel, um den sich der Spiegel 16 um die äußere Achse 20 dreht. Die äußere, aus dem Ring 30 und den mit .ihm verbundenen Einrichtungen bestehende Kardanaufhängung besitzt ein Trägheitsmoment, das bestrebt ist, den Spiegel 16 in bezug auf die äußere Achse 20 in einer festen Winkelstellung zu halten und dadurch Störungen entgegenzuwirken. Das zusätzliche Trägheitsmoment, das sich aus der Befestigung des permanenten Feldmagneten 56 auf der äußeren Kardanaufhängung ergibt, fördert die Stabilisierung des Systems. Wie im Falle dee inneren Motors 52 führt der äußere Motor 54 Korrekturen aus, die durch die Reibung erforderlich.werden, und verändert außerdem die Blickrichtung- beim Verfolgen eines sich bewegenden Zieles und bei der Zielsuche.

Ein Kreisel 60, der die Winkelstörungen der äußeren Kardanaufhängung wahrnimmt, is*t auf den auf der Antriebswelle 34 sitzenden Flansch 50 befestigt. Wie Fig. 2 zeigt,

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steht ein Stellungegeber 62, der auf die Winkelsteilung der äußeren Kardanaufhängung anspricht, mit dieser Kardan-

aufhängung über ein großes, auf ihr befestigtes Zahnrad 64 in Eingriff. V/enn es die Verhältnisse erlauben, kann ähnlich wie bei der Anordnung des ilotors 54 ein Teil eines Stellungsgebers mit großem Durchmesser auf der äußeren Kardanaufhängung und ein anderes Teil auf dem Kopf 14 befestigt werden, um die Trägheit des Stellungs-

Gcbers bei der Stabilisierung der äußeren Kardanauf- A

hängung heranzuziehen.

Wie in Fig. 3 gezeigt, kann das Ortungsgerät sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet werden. Bein Senden werden von einem optischen Sender 66 ausgehende divergente Lichtstrahlen von einem Prisma 68 abgelenkt, durch eine-Sammellinse 70 geleitet und von dem Spiegel 16"in die Blickrichtung abgelenkt» Beim Empfang wird das durch das Fenster 12 einfallende Licht von dem Spiegel 16 abgelenkt, so daß der größte Teil des Lichtes durch den die Sammellinse 70 umgebenden Raum in den Kopf 14 eindringt. Ein nicht dargestellter Konkavspiegel im

Kopf 14 reflektiert das Licht zum Prisma 68, das es auf I einen Lichtdetektor 72 ablenkt.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Rückkopplungsschleife für die innere Kardanaufhängung. Ein Stellungssignalerzeuger 74 liefert eine Ausgangsspannung, die entsprechend dem gewünschten Blickwinkel um die innere Achse 18 variiert· Dieses Signal wird über einen ersten Summierknoten 76» einen zweiten Summierknoten 78 und einen Verstärker 80 dem Motor 32 zugeführt, um den Motor

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au erregen und die Antriebswelle 34· zu drehen. Der Stellungsgeber 46 auf der Antriebswelle 34· nimmt deren Stellung wahr und liefert ein entsprechendes Signal an den Sumiaierknoten 76. Wenn die Antriebswelle 34· die befohlene Stellung erreicht hat, dann ist das Ausgangssignal des Stellungsgebers 46 dem Ausgangssignal des Stellungssignalerzeugers 74- gleich und es ist das Ausgangssignal des Summierknotens 76 gleich Null. Der Kreisel 44, der ebenfalls mit der Antriebswelle 34 verbunden ist, liefert dem Summierknoten 70 ein Ausgangssignal, das zur Korrektur kleiner Störungen dient. Auf diese Weise wird die Stellung der Antriebswelle 34· von der Rückkopplungsschleife derart geregelt, daß eine gewünschte Blickrichtung beibehalten wird. Der vorstehend beschriebene Aufbau macht jedoch das System in hohem selbst stabilisierend.

Durch die Erfindung wird demnach ein richtungsstabilisiertes Ortungsgerät, bei dem die Trägheit der Stellmotoren für die Kardanaufhängungen zur Unterstützung der Stabilisierung des Spiegels 16 ausgenutzt wird. Dabei können gegenüber der beschriebenen Ausführungsform viele Veränderungen vorgenommen werden'. So könnte beispielsweise ein Prisma anstelle des Spiegele als Heflektor benutzt werden, der das Licht vom Ziel auf den optischen Pfad reflektiert, der sich zwischen dem Kopf und dem Reflektor erstreckt oder von dem Pfad auf das Ziel· Die vorstehende Beschreibung einer. Ausführungsform dient also nur zur Erläuterung und nicht zur Abgrenzung der Erfindung und es versteht sich, daß die behandelte Ausführungsform in mancher Hinsicht abgeändert werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentansprüche

1.JRichtungsstabilisrertes Ortungsgerät mit einer Reflektoranordnung, insbesondere einem schwenkbar gelagerten Spiegel, zum Ablenken von sich längs eines optischen Pfades zwischen dem Reflektor und einem Gerätekopf ausbreitenden Lichtes, welche Reflektoranordnung eine zum optischen Pfad senkrechte Schwenkachse aufweist, mit einer mit der Reflektoranordnung in Antriebsverbindung stehenden Antriebswelle und einem mit der Antriebswelle gekoppelten Motor, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (34·) und die Reflektor anordnung (24, 16) durch eine Getriebeanordnung (38, 40, 42) gekoppelt sind, die eine Untersetzung im Verhältnis 2:1 und eine gleiche Drehrichtung von Antriebswelle (34) und Reflektoranordnung (24, 16) bewirkt.

2. Ortungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeanordnung (38, 40, 42) eine erste, mit der Reflektoranordnung (24, 16) verbundene Scheibe (40), eine zweite, auf der Antriebswelle (34) befestigte Scheibe (38), deren Durchmesser halb so groß ist wie derjenige der ersten Scheibe (40), und ein Band (36) umfaßt, daa die beiden Scheiben (40 und 38) umschlingt.

3. Ortungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoranordnung (24, 16), die Antriebswelle (34) und der Motor· (32) von einer auf dem Gerätekopf (14) befestigten äußeren Kardanaufhängung (26, 28, 30) getragen werden,, die auf dem

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Gerätekopf (14) um eine zur Drehachse (18) der Reflektoranordnung (24, 16) senkrechte Achse (20) drehbar gelagert und mit einem Antriebsmotor (5*0 gekoppelt ist.

4. Ortungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (5^0 für die äußere Kardanaufhängung (26, 28, 30) einen ringförmigen permanenten Feldmagneten (.56) auf der Kardanaufhängung (26, 28, JO) und einen auf dem Geräteköpf (14) dem Peldmagneten (56) benachbart angeordneten Anker (58) umfaßt.

5· Ortungsgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des mit der Antriebswelle (34) gekuppelten Motors (32) an der äußeren Kardanaufhängung (26, 28, 30) befestigt ist und sein Rotor unmittelbar mit der Antriebswelle (3^) verbunden ist.

6. Ortungsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Antriebswelle ein Stellungsgeber (46) und Kreisel (44 und 60) derart befestigt sind, daß sie mit der Welle umlaufen.

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