DE2550767A1

DE2550767A1 - Drehsteuerungssystem fuer fahrzeuge

Info

Publication number: DE2550767A1
Application number: DE19752550767
Authority: DE
Inventors: Frank S Coxe; Lyle A Mexey; David P Wahl
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1975-01-27
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1976-07-29
Also published as: IT1052211B; BE837425A; DE2550767C2; FR2298821B1; FR2298821A1; US3963195A; GB1478726A; CA1031850A; CH608118A5

Description

Drehsteuerungssystem für Fahrzeuge

Die Erfindung bezieht sich auf ein Drehsteuerung- oder Stabilisierungssystem für Fahrzeuge, insbesondere auf ein solches System, bei dem eine polarisierte Lichtwelle in Verbindung mit einem polarisierenden Strahlaufteiler zur Erzeugung von Information bezüglich des Drehwinkels des Fahrzeugs zum Einsatz gelangt .

Derartige Steuerungssysteme für Luftfahrzeuge, wie Lenkwaffen, Projektile oder bemannte Fahrzeuge, benutzen in der Regel Kreisel. Wenn das Fahrzeug in solchen Fällen sehr starken Beschleunigungen ausgesetzt wird, insbesondere im Falle von abgefeuerten Projektilen, neigen Kreiselanordnungen jedoch zum Bruch oder sie müssen derart ausgebildet sein, daß dementsprechend schwierige und kostspielige

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Konstruktionen resultieren. Die Rotoren der Kreiselanordnungen müssen darüberhinaus mit Energie versorgt werden. Diese Anforderung kann oftmals in vergleichsweise kleinen Projektilen, die ihre gesamte Betriebsenergie aus einer Batterie erhalten, nur schwer erfüllt werden. Darüberhinaus sind Drehstabilisierungskreisel vergleichsweise kostspielige Instrumente, insbesondere solche zur Verwendung in Projektilen.

Es wurden bereits passive Projektil- und Lenkwaffensysteme entwickelt, die ihre gesamte Steuerungs- und Führungsinformation von einer Steuerstation erhalten, wobei die Information über einen Lichtstrahl übertragen wird.

Die Erfindung ist auf ein Drehstabilisierungssystem für Fahrzeuge unter Verwendung einer solchen Lichtstrahlsteuerung gerichtet, wie sie in der U.S.-Patentschrift 3.746.280 beschrieben ist. Die Erfindung vermeidet die Verwendung von Kreiseln und zieht Bauteile heran, die ohne Neigung zum Bruch großen Beschleunigungen standhält. Darüberhinaus erbringt die Erfindung gegenüber herkömmlichen Kreiselsystemen eine wirtschaftliche Konstruktion und hat nur geringen Energieverbrauch.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Beschreibung sowie der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der grundsätzlichen Merkmale der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

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Fig. 3 A-3 C schematische Darstellungen der ^Ärkeit_swei_se des erfindungsgemäßen Systems.

In Fig. 1 ist die grundsätzliche Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Systems gezeigt. Ein Lichtstrahl 12, der Signale zur Steuerung der Flugbahn eines Fahrzeuges 14 enthält, wird von einer Steuerstation 11 übertragen. In dem Lichtstrahl sind Lichtwellen mit einer vorbestimmten Polarisation enthalten, wie dies durch die Pfeile 15 angezeigt ist. An dem Fahrzeug 14 ist ein polarisierender Strahlaufteiler 20 fest angeordnet, der einen polarisierenden Strahl^-aufteilerkubus umfassen kann. Zum Zwecke der vereinfachten Darstellung ist der Kubus fluchtend mit der Vertikalachse 18 des Flugkörpers gezeigt. Der polarisierende Strahlaufteiler 20 teilt den Lichtstrahl 12 in zwei Komponenten, nämlich die Komponente 21 und die Komponente 22. Die Größenordnungen dieser Komponenten hängen von der Orientierung des Strahlaufteilers bezüglich der Achse des Strahles 12 ab (und folglich vom Drehwinkel des Fahrzeugs 14 bezüglich dieser Achse). Dieser Winkel ist in der Zeichnung mit θ bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, daß gegenüber der in Fig. 1 als Beispiel im wesentlichen vertikal gezeigten Polarisierungsrichtung 15 auch andere Polarisierungswinkel verwendet werden können, sofern dieser Winkel eine solche Beziehung zum polarisierenden Strahl>-aufteiler 20 im Flugkörper aufweist, um eine gewünschte Orientierung oder Anordnung des Flugkörpers um die Drehachse zu erzeugen. Der Strahlaufteiler 20 kann eine herkömmliche Prismenpolarisiferungseinrichtung sein, z.B. ein handelsüblicher polarisierender Strahlaufteilerkubus der ■ Broomer Research Corp., Plainview, New York (USA).

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Aus dem Malus Gesetz ist die folgende Beziehung bekannt:

L_o = kL_± cos²e, (1)

wobei L der Lichtausgang 21 des Strahlaufteilers 20, L. der Lichteingang 12 zum Strahlaufteiler und θ der Winkel zwischen dem Polarisierungswinkel der Lichtwelle 15 und dem Orientierungswinkel der Seitenflächen des Strahlaufteilers bezüglich des Polarisierungswinkels des polarisierten Lichtes ist. K ist eine den Wirkungsgrad des Kubus einschließende Proportionalitätskonstante.

Es kann ebenfalls gezeigt werden, daß der Lichtausgang 22 durch die gezeigte Fläche des Strahlaufteilers senkrecht zu der, aus

der der Lichtstrahl 21 austritt, als Funktion von sin θ mal der Eingängslichtwelle variiert.

In den Fig. 3 A bis 3 C sind verschiedene Orientierungen des Lichtaufteilers bezüglich der Polarisation der Eingangslichtwelle gezeigt. Nach Fig. 3 A sind die Seitenflächen 20 ä und 20 b des Strahlaufteilerkubus 20 parallel zur Polarisation 15 der polarisierten Eingangslichtwelle angeordnet. In einem solchen Fall (wobei der Winkel θ gleich Null ist) zeigt der Strahl einen maximalen Ausgangswert, während der Strahl 22 ein Minimum oder einen Nullausgangswert zeigt. In Fig. 3 B ist der Fall wieder gegeben, bei dem die Polarisierung senkrecht zu den Seitenflächen 20 A und 20 B des Strahlaufteilers 20 verläuft, was zu einem Winkel θ von 90° führt. In diesem Fall weist der Strähl 22 eine Maximalamplitude, der Strahl 21 eine Minimum- oder Nullamplitude auf. Schließlich ist in Fig. 3 C der Fall gezeigt, in dem der

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Winkel θ 45° beträgt, d.h. die Polarisation 50 schließt einen Winkel von 45° mit den Seitenflächen 20 a und 2O b (sowie den Seitenflächen 20 c und 20 d) des Strahlaufteilers ein. Hierbei sind die Ausgangsstrahlen 21 und 22 gleich (max./2). Es sei darauf hingewiesen, daß die Strahlen 21 und 22 im Strahl 12 vorhandene nichtpolarisierte Komponenten aufweisen, die gleichstarke Komponenten der Ausgangsstrahlen 21 und 22 erzeugen. Diese Komponenten werden, wie in Verbindung mit Fig. 2 erläutert wird, in der Verarbeitungsschaltung eliminiert, so daß nur auf polarisierte Lichteingänge beruhende Komponenten verbleiben.

In Fig. 2 ist nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch gezeigt. Der Lichtstrahl 12 mit einer polarisierten Komponente und einer durch die Pfeile 15 gezeigten Polarisierung tritt in den polarisierenden Strahlaufteilerkubus 20 ein, der den Strahl in zwei Komponenten, nämlich 21 und 22, aufteilt, die zum einen durch die Fläche hindurchtreten, die derjenigen gegenüberliegt, durch die der Strahl 12 eintritt und zum andern durch eine Grundfläche, die senkrecht zu den beiden vorstehend genannten Flächen angeordnet ist. Der Strahlaufteilerkubus 20 ist fest an dem Aufbau des ihn tragenden Fahrzeugs angeordnet. Der Strahl 21 trifft auf einen Lichtdetektor 30 auf, der ein elektrisches Ausgangssignal zu einem Verstärker 32 entsprechend der Intensität des Lichtstrahles 21 erzeugt. In gleicher Weise wird der Lichtstrahl 22 von einem Lichtdetektor 31 erfaßt, der seinerseits ein elektrisches Ausgangssignal zu einem Verstärker 33 leitet. Die Verstärker 32 und 33 sind hinsichtlich ihrer Verstärkungscharakteristika iden-

isgangssignale A 609831/0239

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tisch und erzeugen die Ausgangssignale A cos θ bzw. A sin θ

A repräsentiert hierbei die Lichtsignale im Eingangsstrahl 12, die nicht die hier interessierenden polarisierten Lichtsignale sind. Sie sind beiden Ausgangsstrahlen 21 und 22 für alle Winkel θ gemein. Die Ausgangssignale der Verstärker 32 und 33 werden in einer Additionsschaltung 35 addiert, um als Ausgangssignal der Additionsschaltung ein A wiedergebendes Signal zu erzeugen. Dieses

2

Ausgangssignal ergibt sich aus der Tatsache, daß A cos θ + A sin θ

= A (sin θ + cos Θ) . Da sin²9 + cos θ = 1 , stellt sich als Resultat der Addition das Ausgangssignal A ein.

2
Das Ausgangssignal A cos θ wird vom Verstärker 32 einem Teiler

zugeführt, das Ausgangssignal A sin θ vom Verstärker 33 einem Teiler 41. Der Ausgang oder das Ausgangssignal A der Additionsschaltung 35 wird den Teilern 40 und 41 als Divisor zugeführt.

Somit ist das Ausgangs signal des Teilers 40 cos Θ, das Ausgangs-

signal des Teilers 41 sin Θ; das Signal A, das die beiden Komponenten gemeinsamen Lichtkomponenten wiedergibt wurde eliminiert. Die Ausgangssignale der Teiler 40 und 41 werden in die Fahrzeugsservostabilisierung 45 als Steuersignal zur Stabilisierung des Fahrzeugs um seine Drehachse eingegeben. Es sei darauf hingewiesen, daß der Winkel θ mit einer "engen" Servoschleife im Hinblick auf das Ansprechen des Stabilisierungssystems zur Beibehaltung des Fahrzeugs in einer vorbestimmten Drehorientierung immer vergleichsweise klein bleibt.

Das erfindungsgemäße System erbringt somit eine vergleichsweise einfache und wirtschaftliche Anordnung zur Erzeugung von Drehstabiiisierungsinformation zur Stabilisierung des Fluges eines Flug-

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• τ*

körpers, wenn die Steuersignale für das Fahrzeug per Lichtstrahl übertragen werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

( 1. yFahrzeugsteuersystem mit einer einen Steuerinformation übertragenden optischen Strahl aussendenden Steuerstation, wobei der Strahl polarisierte Wellen aufweist sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines Drehstabilisierungssignals für das Fahrzeug vorgesehen ist, gekennzeichnet durch einen fest an dem Fahrzeug (14) angeordneten polarisierenden Strahlaufteiler (20) zum Empfang des optischen Strahles (12) und Erzeugung wenigstens eines Lichtausganges als Funktion des Winkels (Θ) zwischen dem Polarisierungswinkel der Lichtwellen und der Ebene einer vorbestimmten Seitenfläche des Strahlteilers (20), eine Einrichtung (30, 31) zur Umwandlung des Lichtausgangs in ein-erstes elektrisches Signal, einen VErstärker (32, 33) für das elektrische Signal, eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Signals entsprechend den nichtpolarisierenden Komponenten des optischen Strahls, und eine Einrichtung (40, 41) zur Teilung des ersten durch das zweite elektrische Signal, wodurch nichtpolarisierte optische Komponenten im ersten elektrischen Signal wiedergebende elektrische Komponenten eliminierbar sind, wobei das Ausgangssignal der Einrichtung (40, 41) zur Teilung der Abweichung des Drehwinkels des Fahrzeugs (14) von einer vorbestimmten Orientierung entspricht.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlaufteiler (20) einen Strahlaufteilungskubus aufweist.

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3. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

der Strahlaufteiler (20) jeweils entsprechend dem cos und

sin des Winkels (Θ) zwischen dem Polarisierungswinkel und der Ebene der vorbestimmten Seitenfläche erste und zweite Lichtausgänge erzeugt.
4. Steuersystem nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet/ daß die Einrichtung zur Erzeugung des zweiten elektrischen Signals eine Additionsschaltung (35) für die Signale der ersten und zweiten Lichtausgänge aufweist.

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