DE2033871C3 - Stabilisierungssystem für kreiselstabilisierte Plattformen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stabilisierungssystem für kreiselslabilisicrtc Plattformen nach dem Oberbegriff des Anspruchs I, wie es beispielsweise aus der US-PS 12 129 bekanntgeworden ist.

Die Erfindung wird hauptsächlich in NaehführsystciiiL'ii verwendet, die als Systcmsensor eine Fernsehkamera verwenden. Derartige Systeme weisen typischer- h^r. weise eine krciselstubilisierle Plattform auf, die den Sensor, d. h. die Fernsehkamera, trägt und kardanisch in ■ Rahmen so aufgehängt ist, daß sie sich um eine senkrechte (Gier-)Achse und eine zu dieser rechtwinklige Quer-(Nick-)Achse drehen kann. Die optische Achse des Sensors, d. h. der Fernsehkamera, liegt im auf das Ziel ausgerichteten Zustand des Systems normalerweise rechtwinklig zur Vertikal- und Querachse und entspricht im allgemeinen der Richtachse des Systems. Gleichzeitig sind in Regelschleifen angeordnete Servomechanismen vorgesehen, die mit der Plattform zusammenarbeiten und diese so um die Gier- und die Nickachse drehen, daß die optische Achse der Fernsehkamera auf das verfolgte Objekt ausgerichtet bleibt; die für die Servoinechanismen erforderlichen Geschwindigkeitssteuersignale liefert normalerweise eine Nachführeinheit, wie z. B. eine Signalaufbereitungseinheit, die aus der Koinzidenz einer oder mehrerer Kanten des Ziels mit einem beweglichen Nachführgatter Korrektursignale zum Ausgleichen des Nachführfehlers ableitet. Stellungsmelder an der Systemplattform liefern Ausgangssignale, die die Drehstellung der Plattform um die Vertikal- und Querachse bezüglich der Plattformaufhängung und der Systemrichtachse anzeigen.

Derartige Systeme sind allgemein in den US-Patentschriften 32 57 505 und 33 41653 beschrieben. Um Plattformen dieser Art zu stabilisieren, sind mit Erfolg Kreiselvorrichtungen angewandt worden. Selbst diese kreiselstabüisierten Plattformen waren jedoch noch Schwingungen ausgesetzt, die so schwerwiegend sein konnten, daß sie den Sensor am Aulschalten auf das Ziel hinderten.

Die eingangs genannte US-Patentschrift 30 52 129 betrifft die Verwendung von zwei getrennten oder freien Kreiseln in einer gemeinsamen kreiselstabüisierten Plattform. Die Kreiselachscn sind sowohl waagerecht als auch gegenseitig im rechten Winkel zueinander angeordnet. Eine langsame Drehung der kardanischen Aufhängung führt zu einer Umkehrung der Driftabweichung der Kreisel, wodurch sich das Driften der Kreisel zyklisch und oszillatorisch und somit nicht linear bemerkbar macht. Auf diese Weise wird die Gesamtdrift bei der Winkelbcwegung verringert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei den bekannten Nachführsystemen auftretenden Plattformschwingungen zu verhindern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Plattform einen weiteren Stellungsmelder aufweisen, um die Abweichung der Bezugsachse von einer anderen der beiden Achsen anzuzeigen, sowie einen weiteren Servomechanismus, der die Plattform um diese andere Achse dreht. Desgleichen ist eine weitere Signalschleife vorgesehen, um das Ausgangssignal des zusätzlichen Stellungsmelder mit dem Eingangssignal des zusätzlichen Servomechanismus in Form einer Geschwindigkeitsrückführung zu kombinieren bzw. ein Wendekreisel, der ein Ausgangssignal liefert, das der Drehgeschwindigkeit der Bezugsachse um diese Plattformachse bezüglich des freien Raumes entspricht, sowie ein Fehlerdetektor, der das Ausgangssignal des Wendckrcisels mit dem Ausgangssignal des Stellungsmelder in Geschwindigkeitsform vergleicht und deren Differenz bildet, wobei die .Signalschleife das vom Fehlerdetektor erzeugte Differenzsignal mit dem I ingangssignal des der anderen Plattformachse zugeordneten Servomechanismus in Form einer Geschwindigkeilsiücklührung zusammenführt.

Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Anfüh-

rungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Nachführsystems, auf die sich die vorliegende Erfindung allgemein anwenden läßt.

F i g. 2 die schematische Darstellung des Rasters einer Fernsehkamera, die bei einem Nachführsystem den Verlust des Zieles infolge unzulänglicher Plattformdämpfung bei Nutationserregung der Plattform zeig·.

F i g. 3 ein weiterer Kameraraster, der schematisch das vorzugsweise Einrasten des Nachführsystems auf ein gewähltes Ziel infolge Plattformdämpfung gemäß der Erfindung bei Nutationserregung der Plattform zeigt

F i g. 4 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Plattformnachführsystems nach der Erfindung.

Fig. 5 und 6 ein Vorder- bzw. Seitenriß einer Plattform-Sensor-Kombination mit den Merkmalen der in F i g. 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 7 ein Teilblockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Nachführplatiform nach der Erfindung.

Das Blockdiagramni der F i g. 1 stellt ein Nachführsystem 10 dar, das einen optischen Sensor in Form einer Fernsehkamera 11, eine die Fernsehkamera 11 tragende Plattform-Antrieb-Einheit 12 sowie eine Nachführeinheit 13 aufweist. Bei automalischer Nachführung führt der Antriebsteil der Einheit 12 die Plattform und die Fernsehkamera 11 dem beweglichen Ziel Γ nach, das innerhalb des Sichtfeldes 14 erscheint. Die Nachführeinheit 13 regelt die Nachführbewegung der Plattform- ^ntrieb-Einheit 12 und verbindet diese über eine Rückführung mit der Fernsehkamera 11. Zusätzlich kann das Nachführsystem 10 einen Monitor 15 enthalten, der in Form einer Schwarzweiß-Fernsehbildröhre eine sichtbare Darstellung des von der Fernsehkamera gesehenen Nachführproblemcs gibt und den Richtzustand des Systems anzeigt. Normalerweise bildet eine Bedienungsperson das Bindeglied /wischen dem Monitor 15 und der Kommandosteuerung 16. Diese Bedienungsperson ist für die Ausführung von Steuerfunktionen verantwortlich — wie z. B. die Systemaktivierung, Wahl der Betriebsart (Abtastung oder automatischen Nachführung), gegebenenfalls Wahl des Ziels, und Erfassung eines gewählten Ziels im Zieikreuz des Systems vor dem Aufschalten und vollautomatischem Betrieb. Eine Stromversorgungseinheit 17 liefert die für den Betrieb der Anlage erforderliche elektrische Energie.

Das Nachführsystem arbeitet im allgemeinen so, daß es den Kontrast, der zwischen dem gewählten Ziel T bzw. dessen Kanten und dem Bildhintergrund im Sichtfeld 14 besteht, erfaßt und verfolgt. Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, verfolgen derartige Systeme die kontrastierenden Kanten der Zielbilder 19, d. h. innerhalb des von der Fernsehkamera 11 entwickelten Rasters 18. Um ein Nachführen zu erreichen, verwendet man variable waagerechte Logikgatter zwischen den senkrechten Ziellinien 20 und 21 sowie variable vertikale Logikgatter zwischen waagerechten Ziellinien 22 und 23 zur Koinzider.2. i:y.v<.iiung von Zielkantenmarkierungsimpulsen, die aus den erfaßten Kontraständerungen entwickelt wurden, und leitet von diesen Fehlerkorrektursignalc ab, die die Größe der Seiten- und Höhenabweichung des Zielobjcktes definieren.

Die Plattform-Antrieb-Einhcit 12 ist zuweilen bei der b5 automatischen Nachführung Schwingungen ausgesetzt, die aus der Platiformaufhängung stammen und die Nachführleistung ^;ies Systems beeinträchtigen können.

Wie in F i g. 2 gezeigt, kann sich aus Schwingungen der Plattform bei Nutationserregung um die Richtachse 37 (Fig. 6) eine erhebliche Minderung der Auflösung des Zielbildes 19 ergeben, die in einigen Fällen zu einem vollständigen Verlust des Zielbildes führen können. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Plattformstabilisierungsanordnung läßt sich, wie aus F i g. 3 hervorgeht, ein Zielbild 19 einer gewünschten und vergleichsweise hohen Auflösung erreichen, auch un:er Schwingungsbedingungen, die sonst zu einer Qualitätsminderung des Zielbildes führen würden.

Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, weist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Innenrahmen 24 auf, der die Stabilisierungskreisel 25 und 26 sowie die Fernsehkamera 11 trägt. Den Innenrahmen 24 trägt drehbar der Außenrahmen 27, und zwar in der vertikalen (Gier)-Achse 28 durch ein herkömmliches Wellenlager 29. Eine Plattform 30 trägt drehbar den Außenrahmen 27, und zwar in der Quer-(Nick)-Achse 31 ebenfalls durch ein herkömmliches Wellenlager 32. Gierachse 28 und Nickachse 31 liegen normalerweise rechtwinklig zueinander und zur Bezugsachse 37, die der optischen Achse der Fernsehkamera 11 entspricht, wenn das Nachführrystem auf das Ziel T aufgeschaltet ist und diesem nachlauft. Die in Fig. 5 und 6 gezeigte Plattform-Antrieb-Einheit 12 weist Gier- und Nick-Stellungsmelder 33 und 34 auf, die Ausgangssignale liefern, die die Größe der Drehung des Rahmens um die Achsen 28 und 31 und bezüglich der der Plattform 30 zugeordneten Bezugsachse 37 angeben. Die Gier- und Nick-Drehmomenterzeuger 35 und 36 gehören jeweils zu einem Servomechanismus (41 und 44 der F i g. 4) herkömmlicher Bauart. Derartige Vorrichtungen dienen dazu, mit oder ohne Zahnradübersetzung eine Ein- oder Rückstellung der entsprechenden Rahmen 24 und 27 bezüglich der Richtachse 37 auf Kommandosignale hin auszuführen, die die Nachführeinheit 13 liefert. Die Plattform-Antrieb-Einhcit 12 kann auch ein durchsichtiges Fenster 38 als Teil der Plattformhalterung 30 aufweisen.

Die Plattform-Antrieb-Einheit 12 weist die Rückführanordnung 40 zur Nutationsdämpfung nach der vorliegenden Erfindung auf, die dazu dient, ein Rückführsignal vom Gierstellungsmelder 33 an den Servomechanismus 41 zu liefern. Wie in F i g. 5 gezeigt, weist der Servomechanismus 41 einen Nick-Drehmomenterzeuger 36 und eine Signalschleife 42 in Form eines Eingangsverstärkers auf. Das von der Signalschleife 42 an den Servomechanismus 41 gelieferte Geschwindigkeitssteuersignal ist von dem von der Nachführeinheit 13 abgegebenen Eingangssignal in Kombination mit dem Ausgangssignal der Rückführanordnung 40 nach vorläufiger Modifikation durch eine Signalschlcifc 43 abgeleitet. Damit umfaßt die Rückführanordnung 40 eine Regelschleife für die Plattform, die die Nachführregelschleife, die normalerweise allein, zwischen den Einheiten 12 und 13, ergänzt.

Das Kompensationsnetzwerk 43 führt herkömmliche Funktionen aus, wie beispielsweise (l)die Demodulation des Ausgangssignales des Gierstellungsmelders 33, falls man einen Wechselstromträger benutzt, (2) die Differentiation der modulierten Amplitude des Stellungsmeldersignals, (3) das Ausfiltern unerwünschter Störkompcnenten aus dem aufbereiteten Signal, (4) das Ausfiliern von Frequenzen, die bestimmten Bewegungsmoden der Plattformhalterung entsprechen, (5) die Dämpfung von Amplitudeneffekten infolge langsamer Schwingungen der Plattformhalterung, und (6) die

Verstärkung der aufbereiteten Signale zur Erzielung hoher Schleifenverstärkungen. Im allgemeinen sollte der Servomechanismus, der das kompensierte Riickführsignal ai.- der Plattformregelschleife erhält, breitbandig sein. : g. 4 zeigt die Laplace-Transformatoren für die Gleichung der Plattformdynamik, die vorzugsweise zur Bestimmung der Charakteristiken der .Signalschleife 43 herangezogen werden. Die entsprechenden Übertragungsfunktionen sind innerhalb der die Plattform-Antrieb-Einheit darstellenden punktierten Umrandung gezeigt.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 bis 7 wendet eine Form der Nutationsdämpfung an, bei der das vom Stellungsmelder 33 gelieferte Giersteiiungssignal als Grundlage für das Rückführungsstück dient, das an der Signalschleife 42 mit dem Korrektursignal aus der Nachführeinheit 13 zwecks Ableitung des Geschwindigkeitssteuersignals für den Servomechanismus 41 kombiniert wird. In einigen Anwendungsfällen kann die Zusammenführung auch umgekehrt erfolgen, d. h. man leitet das Rückführsignal für die Rückführanordnung 40 vom Nickstellungsmelder 34 ab und gibt es nach einer Kompensation und Zusammenführung über einen Gier-Eingangsverstärker 45 auf den Gier-Servomechanismus 44. Diese umgekehrte Zusammenführung ist besonders wünschenswert, wenn die Schwingungen der Plattform 30 Amplitudenkomponenicn haben, die in zur Gicrachse 28 im wesentlichen parallelen Richtungen größer sind als die in zur Nickachse 31 im wesentlichen parallelen Richtungen. Eine derartige Zusammenführung kann auch wünschenswert sein, wenn die Drehträgheiten der Rahmen 24 und 27 um die Achse 28 und 31 erheblich voneinander abweichen. Auch kann man die Plattform-Antrieb-Einheit 12 mil einer im wesentlichen doppelten Nutationsdämpfung ausstatten,

ίο indem man bei verdoppeltem Aufwand sowohl die Rückführungsanordnung 40 nach F i g. 5 als auch die entgegengesetzte Form anwendet.

F i g. 7 offenbart eine weitere Ausführungsform, die als weiteres Merkmal einen auf der Plattform 30 befestigten Wendekreisel 46 aufweist, dessen Ausgangssignal der Fehlerdetektor 48 mit dem Giersteiiungssignal aus dem Stellungsmelder 33 vergleicht, nachdem das Netzwerk 47 es kompensier! (differenziert) hai. Das Differenzsignal am Ausgang des Fehlerdetektor 48 wird dann von der Signalschleife 43 weiterhin, wie erforderlich, kompensiert (differenziert, gefiltert, gedämpft, geformt usw.) und danach als Rückführsignal auf die Signalschleife 42 gegeben, um mit dem Korrekturbefehl für die Nickbewegung aus der Nachführeinheit 13 zusammengeführt zu werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Stabilisierungssystem für kreiselstabilisierte Plattformen, das bei einer Nachführungseinrichtung zur Steuerung der Sichtachse einer Fernsehkamera entsprechend der Nachführungsbeziehung zu einem ausgewählten Ziel verwendbar ist, mit einer Signalaufbereitungseinheit zur Erzeugung von Nachführsignalen, mit denen ein Servormechanismus mit Hilfe von Kommandosignalen ansteuerbar ist, eier auf diese Komrnandosignale hin die Plattform um eine bzw. beide von zwei zueinander rechtwinkligen Achsen dreht, und mit Stellungsmeldern, die die Ortsabweichung einer Richtungsbezugsachse der Plattform von einer oder beiden der zueinander rechtwinkligen Achsen anzeigen, wobei das Ausgangssignal des Platiformstellungsmelders für die eine Achse mit dem Eingangssignal des der anderen Plattformachse zugeordneten Servormechnismus zusammenführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabilisierungssystem zur Erhöhung der dynamischen Dämpfung der Plattform bezüglich der Richtungsbezugsachse (37) eine Signalschleife (42,43) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie das Ausgangssignal des Plattformstellungsmeiders (33) für die eine Achse (28) in Geschwindigkeitsrückführung mit dem Eingangssignal für den der anderen Plattformachse (36) zugeordneten Servomechanismus (41) zusammenführt.

2. Stabilisierungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Stellungsmelder zur Anzeige der Abweichung der Bezugsachse (37) von der anderen der beiden Achsen (28, 3t), durch einen zusätzlichen Servomechanismus, der mit der Plattform (30) so zusammenarbeitet, daß er die Plattform um diese eine Achse dreht, und durch eine weitere .Signalschleife, die so angeordnet ist, daß sie das Ausgangssignal des zusätzlichen Stellungsmelders in Geschwindigkcitsrückführung mit dem Eingangssignal des zusätzlichen Servomechanismus zusammenführt.

3. Stabilsierungssystem nach Anspruch !,gekennzeichnet durch einen Wendekreisel (46), der ein Ausgangssignal liefert, das die Drehgeschwindigkeit der Bezugsachsc (37) um die eine Plattformachse bezüglich des freien Raumes mißt, und durch einen Fehlerdetektor (48), der das Ausgangssignal des Wcndekrcisels in Geschwindigkeitsform mit dem Ausgangssignal des Stellungsmelder (33) vergleicht und deren Differenz bildet, wobei die Signalschlcife das vini dem Fehlerdetektor gelieferte Differenzsignal in Geschwindigkeitsrückführung mit dem Eingangssignal des der anderen Plattformaehsc zugeordneten Servomechanismus zusammenführt.

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