DE2618868A1

DE2618868A1 - Geraet zur bestimmung der nordrichtung

Info

Publication number: DE2618868A1
Application number: DE19762618868
Authority: DE
Inventors: Uwe Krogmann; Uwe Dipl Ing Wurditsch
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1976-04-29
Publication date: 1977-11-17
Also published as: US4075764A

Description

Patentanwälte 3 OCIQQCQ

DIPL.-PHYS. JÜRGEN WEISSE DIPL.-CHEM. DR. RUDOLF WOLGAST

D 562o Velbert 11 - Langenberg, Bökenbusch 41 Postfach 11 o3 86 Telefon (o2127) 4ol9 Telex 8516895

P atent anme!dung Bodenseewerk Gerätetechnik G.m.b.H., Überlingen (Bodensee)

Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung

Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 25 45 026.4)

Das Hauptpatent... (Patentanmeldung P 25 45 026.4) betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung, enthaltend: einen mit seinem Gehäuse an einem Band aufgehängten Kreisel, einen Abgriff, der auf Abweichungen des Kreisels von einer Bandnullage anspricht, einen mit dem Gehäuse des Kreisels verbundenen Drehmomenterzeuger, der von dem hochverstärkten Abgriffsignal beaufschlagt ist und auf den Kreisel ein dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkendes Drehmoment um die Bandachse ausübt, und eine auf das verstärkte Abgriffsignal ansprechende Meß- und Anzeigenvorrichtung. Um ein solches Gerät einerseits auch auf Erschütterungen ausgesetzten Unterlagen verwendbar zu machen und andererseits schon nach kurzer Zeit eine Anzeige der Nordrichtung zu erhalten weist nach dem Hauptpatent die Meß- und Anzeigevorrichtung einen Analog-Digital-Wandler zur Erzeugung eines dem Abgriffsignal proportionalen Digitalsignals und einen Rechner auf, der zur rekursiven Mittelwertbildung aus den in vorgegebenen Zeitabständen abgetasteten DigitalSignalen und zur sofortigen Ausgabe des jeweils zuletzt gebildeten Mittelwertes eingerichtet ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Hauptanspruches wird der Mittelwert fortlaufend unter Berücksichtigung aller zurückliegenden Meßwerte gebildet, und zwar unter Benutzung der folgenden Rekursionsformel

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⁰M ^(tn> - ^ÜM ^(tn-1) + K„ ü_o (tJ -

M ^v n'

-2-

-t-k

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wobei U_M (t ) der im Zeitpunkt t abgetastete momentane Meßwert und U_M (t_n) der Mittelwert aller zurückliegenden, bis zum Zeitpunkt t abgetasteten Meßwerte ist. Der technische Aufwand zur Realisierung eines nach der vorstehenden Rekursionsformel arbeitenden digitalen Filters ist jedoch relativ hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Gerät der eingangs genannten Art ohne wesentliche Einbußen an Filterwirkung mit einem vereinfachten digitalen Filter aufzubauen und die Meßzeit für die Bestimmung der Nordrichtung weiter zu verringern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Rechner zur Mittelwertbildung aus den in Zeitabständen T abgetasteten Digitalsignalen nach der Beziehung

^(nT) =

eingerichtet ist,

7 ⁺ S

^ÜM ^(nT) - ^UM

wobei η eine laufende ganze Zahl

U„ (JT) der zur Zeit JT ausgegebene Mittelwert

U_M (JT) der digitalisierte Meßwert zur Zeit j T und

N eine feste ganze Zahl ist.

Bei dem digitalen Filter nach der Erfindung wird ebenfalls fortlaufend ein Mittelwert gebildet. Zu dieser Mittelwertsbildung werden jedoch jeweils nur die letzten N Meßwerte herangezogen. Es wird zur Mittelwertbildung gewissermaßen ein "Wertevorrats-Fenster" für jeweils N Meßwerte auf der Zeitachse über die Einlaufkurven des Meridiankreisels bewegt und der Mittelwert aus diesen N Meßwerten wieder rekursiv gebildet.

In der Rekursionsformel, mit der das digitale Filter nach dem Hauptpatent arbeitet, enthält der Klammerausdruck, mit dem der vorhergehende Mittelwert Ü_M (t_n_-j) korrigiert werden muß, um den gegenwärtigen Mittelwert Ü_M (t_n) zu erhalten, wieder den

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vorhergehenden Mittelwert U_M (^_n-1). Dieser Mittelwert

U,, (t .,) erscheint somit in der Rekursionsformel zweimal. Der w η— ι

Faktor K ist zeitabhängig. Er muß daher entweder jeweils "on-line" berechnet werden, oder es muß eine Berechnung "off-line" und Bereitstellung der Faktoren K in einem Speicher erfolgen. Dadurch wird das digitale Filter nach dem Hauptpatent ziemlich aufwendig.

Bei dem Filter nach der Erfindung erscheinen demgegenüber in dem als Korrektur an dem vorhergehenden Mittelwert ü anzubringenden Klammerausdruck nur die momentanen Meßwerte IL, (nT) und U Kn-N)Ty , also nicht noch einmal ein Mittelwert. Der Faktor vor der Klammer - ist eine Konstante und entspricht praktisch dem Kehrwert der Länge des der Mittelung zugrundegelegten "Fensters".

Es ist einleuchtend, daß ein solches digitales Filter einfacher aufgebaut sein kann als das Filter nach dem Hauptpatent. Durch eine Simulation mittels eines Digitalrechners, bei welcher das Verhalten des erfindungsgemäßen Filters bei Einwirkung weißen Rauschens und einer langsamen sinusförmigen Störung untersucht wurde, ließ sich zeigen, daß mit dem erfindungsgemäßen digitalen Filter in relativ kurzer Zeit eine brauchbare Anzeige der Nordrichtung erhalten werden kann.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Gerätes zur Bestimmung der Nordrichtung.

Figur 2 zeigt den Aufbau eines bei dem Gerät nach Fig. 1 verwendeten digitalen Filters.

709846/0131 "⁴"

In einem Gehäuse 10 ist an einem Band 12 das Gehäuse 14 eines Kreisels mittels eines vertikalen Mastes 16 aufgehängt. Die Drallachse 18 des Kreisels liegt horizontal. Infolge der Erddrehung wirkt auf den Kreisel ein Kreiselrichtmoment, welches die Drallachse 18 nach Nord auszurichten trachtet. Da der Kreisel mit seiner Drallachse 18 schon näherungsweise nach Nord ausgerichtet ist, ist das Kreiselrichtmoment proportional dem - kleinen - Winkel zwischen Drallachse 18 und Nordrichtung.

An dem Mast 16 ist ein Spiegel 20 angeordnet. Eine Lichtquelle 22 schickt ein Lichtbündel 24 über den Spiegel 20 auf eine Photodetektoranordnung 26. Lichtquelle 22, Spiegel 20 und Photodetektoranordnung 26 bilden einen photoelektrischen Abgriff 28, der ein Abgriffsignal nach Maßgabe der Auslenkung des Kreisels aus der Bandnullage liefert.

Das Abgriffsignal wird über einen Vorverstärker 30, ein Vorhaltnetzwerk 32, und einen Endverstärker 34 auf einen Drehmomenterzeuger 36 gegeben. Der Anker des Drehmomenterzeugers 36 ist über eine Stange 38, die gleichachsig zu dem Mast 16 an der Unterseite des Kreiselgehäuses 14 angebracht ist, mit dem letzteren verbunden. Der Drehmomenterzeuger 36 übt auf das Gehäuse 14 ein dem Kreiselrichtmoment entgegengerichtetes Drehmoment aus, welches praktisch das Kreiselrichtmoment kompensiert. Dadurch ist der Kreisel elektrisch an die Bandnullage gefesselt. Das Drehmoment und infolge der Charakteristik des Drehmomenterzeugers 36 auch das zugehörige verstärkte Abgriffsignal sind proportional dem Winkel zwischen Drallachse 18 und Nord und damit praktisch dem Winkel zwischen Bandnullage und Nord.

Das verstärkte Abgriffsignal wird durch den Spannungsabfall ü_M an einem Meßwiderstand 40 gemessen, der mit dem Drehmomenterzeuger 36 in Reihe liegt. Dieser Spannungsabfall ü„ ist dem Abgriffsignal proportional.

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Mittels eines Analog-Digital-Wandlers 42 wird der Spannungsabfall U„ in Zeitabständen T abgetastet und in ein digitales Signal in Form eines 12 Bit-Wortes umgesetzt. Dieses digitale Signal wird auf ein digitales Filter 44 gegeben, welches einen Mittelwert aus den jeweils N letzten abgetasteten Meßwerten U unter Benutzung einer Rekursionsformel

⁵M ^(ηΦ) = ⁵M ((ⁿ-¹)~^T) ⁺ I ;^UM ^(ηίΓ) - ^UM ((ⁿ-^N)'^T)

L -J

liefert, wobei

η eine laufende ganze Zahl,

IL. (JT) der zur Zeit jT ausgegebene Mittelwert U-. (JT) der digitalisierte Meßwert zur Zeit JT und N eine feste ganze Zahl ist.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist

N = 2⁵ = 32.

Der erhaltene geglättete Ausgangswert Ö (nT) ist proportional dem auf den Kreisel wirkenden Kreiselrichtmoment, welches außerdem proportional dem Kosinus der geopraphischen Breite ist. In einem Rechner 46 erfolgt die Umrechnung von Kreiselrichtmoment in Abweichung von Nord.

Figur 2 zeigt den Aufbau des digitalen Filter.

Der Analog-Digital-Wandler 42 setzt den Meßwert U„ auf einen von einem Steuerteil 48 in Zeitabschnitten T über eine Leitung 50 gegebenen Befehl in ein Datenwort von (einschließlich Vorzeichen) 12 Bit um. Dieses Datenwort wird auf einen von dem Steuerteil 48 über Leitung 52 gelieferten Befehl parallel in ein zwölfstelliges erstes Schieberegister 54 übernommen. Die in dem ersten Schieberegister 54 gespeicherten Datenworte werden durch Taktimpulse C₁, die von dem Steuerteil 48 über Leitung gegeben werden nacheinander in ein zweites Schieberegister

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übertragen. Das zweite Schieberegister 58 ist N χ 12-stellig, d.h. es enthält 32 χ 12 Bit. Es wird durch Taktimpulse C₂ von dem Steuertei1 48 über Leitung 60 fortgeschaltet. Wenn in den Eingang 62 die einzelnen Bit eines Datenwortes ü„ (nT) eingeschoben werden, werden auf diese Weise gleichzeitig die entsprechenden Bit des Datenwortes IL. Hn-N)- Ty an dem Ausgang 64 des zweiten Schieberegisters 58 ausgegeben.

Der Ausgang 64 des zweiten Schieberegisters 58 liegt über einen Inverter 66 an einem Eingang 68 eines ersten Addierers 70. An dem zweiten Eingang des ersten Addierers 70 liegt über Leitung 72 unmittelbar der Ausgang des ersten Schieberegisters 54.

Der erste Addierer 70 bildet die Differenz von ü„ (nT) aus Schieberegister 54 und ü„ ((η-Ν)·τ) aus Schieberegister 58.

Die Differenzbildung erfolgt in bekannter Weise durch Addition des Zweierkomplements, indem durch den Inventer 66 das aus dem Schieberegister 58 kommende Datenwort invertiert und in die Stelle mit der Wertigkeit 2° durch die Taktimpulse C₂ oder Taktimpulse C₃ über ein ODER-Glied 74 und Leitung 76 ein übertrag hinzuaddiert wird.

Die so erhaltene Differenz wird auf einen Eingang 78 eines zweiten Addierers 80 gegeben. Der zweite Eingang 82 des zweiten Addierers 80 ist mit dem Ausgang eines dritten Schieberegisters 84 verbunden. In das dritte Schieberegister wird, gesteuert über Leitungen 86 und 88 von den Taktimpulsen C₃ des Steuerteils 48, der Ausgang des zweiten Addierers 80 eingeschoben. Die Stellenzahl des dritten Schieberegisters 84 ist 12+5 Bit, d.h. sie ist um den Zweierexponenten der Zahl N (N= 2 ) größer als die Stellenzahl des Schiebergegisters 54 und der Datenworte U... Damit wird die Division der von dem ersten Addierer 70 gebildeten Differenz U„ (nT) -ü_M /(n-N).TJ durch N, also durch 2 ermöglicht.

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³ 761R868

Die Taktimpulse C₂ und C₃ starten gleichzeitig. Das dritte Schieberegister 84 benötigt eine Folge von siebzehn Taktimpulsen. Der alte Mittelwert U i(n-1)*T/ steht in den zwölf höherwertigen Stellen des siebzehnstelligen dritten Schieberegisters 84. Die Differenz aus dem ersten Addierer 70 wird zu den zwölf niederwertigen Stellen hinzuaddiert, also um fünf Stellen gegen den alten Mittelwert versetzt. Das entspricht einer Division der Differenz durch 2 = 32, also durch N.

Die Länge der mit dem ersten Addierer 70 ermittelten Summe ist zwölf Bit. Hiervon werden nach Division durch 32 die sieben höchstwertigen Stellen ausgewertet, die zu dem alten Mittelwert Ü_M i(n-1)'TJ im Addierer 80 hinzuaddiert werden. Wegen der Zahlendarstellung im Zweierkomplement muß dieses 7-Bit-Datenwort durch fünf Vorzeichenstellen wieder auf zwölf Bit ergänzt werden. Um dies zu erreichen, erhält das zweite Schieberegister 58 zunächst nur elf Taktimpulse, so daß bis zum Ende der zweiten Addition die Vorzeichenstellen von U (nT) und U ί(η-32)»τ) am ersten Addierer 70 anliegen. Der zwölfte Taktimpuls von C~ kommt erst nach Abschluß der zweiten Addition im Addierer 80. Dieser zwölfte Taktimpuls signalisiert gleichzeitig am Ausgang 90 des Steuerteils 48 das Ende der Rechenoperation und bewirkt die parallele Auslesung des gebildeten neuen Mittelwertes U„.

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Claims

Patentansprüche

Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung, enthaltend: einen mit seinem Gehäuse an einem Band aufgehängten Kreisel, einen Abgriff, der auf Abweichungen des Kreisels von einer Bandnullage anspricht, einen mit dem Gehäuse des Kreisels verbundenen Drehmomenterzeuger, der von dem hochverstärkten Abgriffsignal beaufschlagt ist und auf den Kreisel ein dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkendes Drehmoment um die Bandachse ausübt, und eine auf das verstärkte Abriffsignal ansprechende Meß- und Anzeigevorrichtung, bei welchem die Meß- und Anzeigevrrichtung einen Analog-Digital-Wandler zur Erzeugung eines dem Abgriffsignal proportionalen Digitalsignals und einen Rechner aufweist, der.zur rekursiven Mittelwertbildung aus den in vorgebenen Zeitabständen abgetasteten Digitalsignalen und zur sofortigen Ausgabe des jeweils zuletzt gebildeten Mittelwertes eingerichtet ist, nach Patent... (Patentanmeldung P 25 45 026.4), dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (44) zur Mittelwertbildung aus den in Zeitabständen T abgetasteten Digitalsignalen nach der Beziehung

⁵M

eingerichtet ist,

^UM ^(niP) - ⁰M

wobei η eine laufende ganze Zahl U (JT) der zur Zeit jT ausgegebene Mittelwert ü_M (jT) der digitalisierte Meßwert zur Zeit jT und

N eine feste ganze Zahl ist.

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-9-ORIGSNAL INSPECTED

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2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Rechner (44) die nachstehenden Bauteile enthält:

(a) ein erstes Schieberegister (54), welches mit dem Analog-Digital-Wandler (42) zur parallelen Übernahme des Digitalsignals verbunden ist,

(b) ein zweites Schieberegister (58) von der N-fachen Stellenzahl des ersten Schieberegisters (54), welches mit dem ersten Schieberegister (54) zum seriellen Einschieben des in dieses übernommenen Digitalsignals verbunden ist,

(c) einen ersten Addierer (70) zur seriellen Differenzbildung des am Ausgang des zweiten Schieberegisters (58) erscheinenden, vor N Zeitabständen T übernommenen Digitalsignals ü„ [ (n-N) - TJ und des Digitalsignals ü„ (nT) am Ausgang des ersten Schieberegisters (54)

(d) einen zweiten seriell arbeitenden Addierer (80), auf dessen einen Eingang (78) der Ausgang des ersten Addierers (70) geschaltet ist, und

(e) ein drittes Schieberegister (84) mit einer gegenüber der Stellenzahl des ersten Schieberegisters (54) um den Logarithmus von N zur Basis 2 erhöhten Stellenzahl, dessen Eingang mit dem Ausgang des zweiten Addierers (80) und dessen Ausgang mit dem anderen Eingang (82) des zweiten Addierers (80) verbunden ist.

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