DE2836859C2

DE2836859C2 - Trägheitsrichtgerät

Info

Publication number: DE2836859C2
Application number: DE2836859A
Authority: DE
Inventors: Robert Willis Calabasas Park Calif. Maughmer
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1977-09-06
Filing date: 1978-08-23
Publication date: 1982-07-01
Also published as: JPS5449487A; GB2004368A; IT1106628B; IT7850956A0; GB2004368B; BE870232A; DE2836859A1; NO782882L; AU3800178A; FR2402189A1; US4166406A; NL7809113A; CA1095749A; SE7809232L; AU516949B2; NZ187842A; DK390978A

Description

Die Erfindung betrifft ein Trägheitsrichtgerät zum Bestimmen der Raumorientierung einer in einem Gerät definierten Achse und zum Bestimmen der Stellung einer einstellbaren, das Trägheitsrichtgerät tragenden Haltekonstruktion, bei dem auf einer mindestens einen Freiheitsgrad aufweisenden Plattform ein Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden vorgesehen ist

Aus der DE-AS 16 23 347 war bereits ein Kreiselkompaß unter Verwendung eines Kreiselläufers bekannt. Ein solcher Kreiselkompaß gestattet jedoch nur die Bestimmung des Azimutwinkels.

Aus der US-PS 29 49 785 ist auch bereits ein Trägheitsrichtgerät zur Feststellung einer Orientierung im Raum bekanntgeworden, wie es durchaus in Navigationssystemen von Flugzeugen Verwendung finden kann. Diese Systeme sind jedoch äußerst aufwendig, da sie mit wenigstens zwei Gyroskopen und mehreren Beschleunigungsmessern sowie einer geeigneten kardanischen Aufhängung mit entsprechenden Sensoren und Stellmotoren versehen sind. Derartige Trägheitsrichtgeräte sind relativ kompliziert und teuer. Diese Systeme sind darüber hinaus mit höheren Kosten und einer größeren Genauigkeit verbunden, als es für viele .Anwendungszwecke berechtigt wäre.

Es sind auch bereits komplette Trägheitsnavigationssysteme für Fahrzeuge, beispielsweise in der US-PS 40 60 718 vorgeschlagen worden.

Zur Feststellung der Position eines Geländefahrzeugs ist darüber hinaus auch bereits vorgeschlagen worden, den Wegstreckenzihler eines Fahrzeuges und nacheinander erhaltene Kompaßablesimgen zu verwenden, wenn das Fahrzeug Richtungsänderungen ausführt, um den Kurs des Fahrzeugs nachzuvollziehen. Bei diesem zuletzt genannten Verfahren handelt es sich jedoch um ein sehr grobes Verfahren, das auf militärischem Gebiet oder unter anderen Umständen nur schwer angewandt werden kann, wenn die Genauigkeit und die Zeit eine wichtige Rolle spielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Trägheitsrichtgerät der eingangs erwähnten Art anzugeben, das einfach aufgebaut ist und eine schnelle Ausrichtung ermöglk Ή.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Plattform um die Achse pendelnd aufgehängt ist, deren Raumorientierung zu bestimmen ist, daß auf der Plattform zusätzlich zu dem die Azimutabweichung zur Nord-Süd-Richtung bestimmenden Gyroskop ein Beschleunigungsmesser zur Neigungswinkelbestimmung gegenüber der durch die Richtung der Erdanziehung bestimmten Vertikalen angeordnet ist, und daß die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers und die Kreiselachse des Gyroskops in die in ihrer Raumorientierung zu bestimmenden Richtung der Achse ausgerichtet sind.

Das erfindungsgemäße Trägheitsrichtgerät benötigt lediglich ein Gyroskop und einen Beschleunigungsmesser und ermöglicht dennoch die wesentlichen technisehen Werte, d. h. die Horizontal- und Elevationswinkel zu erfassen. Die Pendelaufhängung dient gleichzeitig dazu, die Instrumente von einer Schlinger- oder Wälzbewegung zu entkoppeln, ohne ihre Meß- und Oberwachungsfunktion zu stören, wenn sie Informationen bezüglich der Horizontal- und Elevationswinkel liefern. Ein besonderer Vorteil des Trägheitsrichtgerätes besteht in den niedrigen Herstellungskosten und in der relativ hohen Genauigkeit des Gerätes. Ein geeigneter Beschleunigungsmesser, der verwandt werden kann, ist aus der US-PS 34 98 138 zu entnehmen, während ein geeignetes Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden das hierbei beispielsweise verwandt werden kann, in der DE-OS 27 13 791.3 beschrieben ist.

Zur Verbesserung der anfänglichen Ausrichtung des Trägheitsrichtgerätes wird dieses vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Plattform um eine Achse drehbar ist, die senkrecht auf der Achse steht, deren Orientierung im Raum zu bestimmen ist, und daß die Plattform in vorbestimmte Drehstellungen einstellbar ist. Zweckmäßigerweise wird zum Einstellen einer Vielzahl von festen diskreten Wlnkelstsllungen der Plattform eine Schrittschaltei.nrichtung vorgesehen.

Es hat sich eine Anordnung als besonders vorteilhaft erwiesen, bei der die Schrittschalteinrichtung eine Verdrehung der Plattform zwischen drei vorbestimmten Stellungen erlaubt, die um 90 Grad gegeneinander verdreht liegen und bei der diese Stellungen so gewählt sind, daß die gemeinsame Achse, dia durch die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers und durch die Kreiselachse des Gyroskops bestimmt ist, parallel zu der Achse verläuft, deren Orientierung im Raum zu bestimmen ist.

Insbesondere für den Fall, daß das Trägheitsrichtgerät in solchen Vorrichtungen verwandt wird, die verhältnismäßig häufig eine Richtungsänderung vornehmen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Dämpfungseinrichtung vorzusehen, die die Empfindlichkeit der pendelnd aufgehängten Plattform gegen Stöße herabsetzt.

Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Trägheitsrichtgerätes bietet sich etwa für auf einem Fahrzeug aufgebrachte Raketenabschußeinrichtungen an, wobei das Trägheitsrichtgerät in diesem Falle derart an der Abschußrampe angebracht wird, daß die Achse, deren Orientierung im Raum bestimmt wird, mit der Richtung der Raketenbewegung übereinstimmt.

Eine besonders günstige Verwendung kann das Trägheitsrichtgerät in einem Fahrzeug finden, dessen Stellung festgestellt werden soll. Hierzu wird das Trägheitsrichtgerät zweckmäßigerweise über die Haltekonstruktion an dem Fahrzeug befestigt, an dem ein Wegstreckenzähler vorgesehen ist, und es wird zusätzlich :ine die Stellung des Fahrzeugs anzeigende elektronische Schaltung vorgesehen, die Eingangssignale von dem Gyroskop, dem Beschleunigungsmesser und dem Wegstreckenzähler empfängt das Trägheitsrichtgerät wird in diesem Falle vorzugsweise derart auf dem Kraftfahrzeug angebracht, daß die Achse, deren Orientierung im Raum zu bestimmen ist, mit der Fahrzeuglängsachse zusammenfällt

Im folgenden werden anhand der Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

F i g. 1 zeigt in einer teilweise gebrochenen maßgerechten Ansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäCen pendelartig aufgehängten Trägheitsrichtgerätes;

F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung des in F i g. I dargestellten Gerätes;

F i g. 3 zeigt eine mögliche Anwendungsform des in Fig. 1 dargestellten Trägheitsrichtgerätes;

Fig.4 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Einrichtung, die dazu dient, im Verlauf der anfänglichen Ausrichtung die Plattform zu drehen, die den Beschleunigungsmesser und das Gyroskop der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung trägt;

F i g. 5 zeigt in einem dreidimensionalen Diagramm die Eichung des Gerätes, wenn sowohl das Trägheitsrichtgerät als auch der Wegstreckenzähler dazu verwandt werden, Einy >ngssignale dem Gerät zuzufüh-F i g. 6 zeigt in einem Blockschaltbild die Arbeitsweise des Gerätes, das das ir. F i g. 1 dargestellte Trägheitsrichtgerat hält;

F i g. 7 zeigt in einem Blockschaltbild die Bauteile des Trägheitsrichtgerätes und der zugehörigen Schaltung.

In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Trägheitsrichtgerätes und seine direkte Halterung dargestellt Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, kann die Halterung 11 beispielsweise über einen Schwingungsisolator 12 an einem Träger 13 angebracht sein, der an einem Fahrzeug oder an einer anderen beweglichen Konstruktion befestigt ist, deren Orientierung und Stellung zu bestimmen sind. Das pendelnd aufgehängte Trägheitsrichtgerät enthält einen drehbaren Tisch, der die Plattform 14 bildet und ist pendelnd über eine Halterung 24 in Lagern 16 und 18 an einem Rahmenelement aufgehängt, das die Halterung 11 bildet, um für eine pendelnde Aufhängung der Halterung 24 für die Plattform 14 mit deren Instrumenten zu sorgen, wobei die Lager die Pendelachse 50 festlegen. An der drehbaren Plattform 14 sind ein Gyroskop 20. das aus einem kleinen Strap-Down-Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden bestellt, ein nicht näher dargestellter Beschleunigungsmesser 21, der symmetrisch in bezug auf die Achse 58 der drehbaren Plattform 14 zu dem Gyroskop 20 angeordnet ist, und ein Antriebsmotor 22 angebracht, der dazu dient, die Plattform 14 relativ zu der pendelnd aufgehängten, jedoch nicht drehbaren Halterung 24 während der anfänglichen Ausrichtung schrittweise weiterzuschalten.

Eine Dämpfungseinrichtung 26, die ein etwa zylindrisches Element 28 aufweist, das in einem mit öl gefüllten Gehäuse 30 angeordnet ist, dient dazu, die Schwingungsbewegung der pendelnd aufgehängten Einrichtung um die Achse 50, ciie durch die Lager 16 und 18 bestimmt ist, zu dämpfen, die durch Stoßen oder andere hohe Beschleunigungen auf dem Träger 13 entstehen.

Eine optische Kodiereinrichtung 32, die häufig auch als Kodierscheibe bezeichnet wird, kann dazu vorgesehen sein, fortlaufend die Winkelorientierung der p?ndelnd aufgehängten Einrichtung 14 relativ zum Halterahmen 11 zu überwachen. Wenn die Pendelachse 50, die durch die Lager 16 und 18 bestimmt ist, zur Vorwärtslaufrichtung eines Fahrzeuges ausgerichtet ist, liefert der Kodierer 32 eine Anzeige dor KippLewegung von einer Seite zur anderen, d. h. der Wälzbewegung des Fahrzeuges. Die Kodiereinrichtung 32 kann beispielsweise eine optische Kodiereinrichtung sein, von der entweder ein bezeichnendes Signalmuster oder eine Reihe von Impulsen an der elektronischen Schaltung liegt, um fortlaufend die Winkelorientierung der Kodierelemente anzuzeigen.

F i f.. 2 zeigt eine stark vereinfachte Ansicht, die mehr zur Darstellung der Arbeitsweise der Einrichtung als zur Darstellung des tatsächlichen Aufbaues c"ient. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, hängt die pendelnd aufgehängte Plattform 14 von der Pendelachse 50 herab und kann um die Pendelachse 50 schwingen, die durch die Lager fS und 18 bestimm! Ist und durch einen Pfeil dargestellt ist, und mit der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges zusammenfällt, das in Fig. 2 nicht dargestellt ist Auf der Plattform 14 befindet sich das Gyroskop 20, dessen Kreiselachse zur Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers 21 ausgerichtet ist, wobei diese beiden Achsen in eiinei Linie zur Pendelachse 50 der Einrichtung ließen.

Es versteht sich insbesondere, daß die Pendelachse 50 nicht immer horizontal verlaufen wird. Wenn beisniels-

weise ein Lastfahrzeug bergauf fährt, wird die Pendelachse 50 unter einem Winkel etwas über der Horizontalrichtung und annähernd parallel zum Steigungswinkel der Straße bezüglich der Horizontalrichtung orientiert.

Um die Meßfähigkeit des Gyroskops 20 und des Beschleunigungsmessers 21 darzustellen, sind die Koordinatenachsen X. Y und Z auf der pendelnd aufgehängten Plattform 14 dargestellt. Wie es in F i g. 2 dargestellt ist. verläuft die Kreiselachse des Gyroskops in die V-Richtung. Das Gyroskop kann daher die Drehung der Vorrichtung um (.lie Λ Achse und die Z-Achsc erfassen, wobei sowohl die V- als auch die Z-Achse senkrecht zur Kreiselachse V des Gyroskops 20 liegen. Der Beschleunigungsmesser 21 nimmt andererseits Beschleunigungen mit Anteilen in der K-Richtung wahr. Natürlich spricht das Gyroskop 20 nicht auf eine Bewegung in die ) -Richtung an.

Wenn die Penuf'acnse 50 der Vorecrming /irr sun vorne nach hinten verlaufenden Achse des Fahrzeuges ausgerichtet gehalten wird, wird der Beschleunigungsmesser 21 der Neigungswinkel der Bewegungsrichtung des Fahrzeuges messen, d. h. wird der Beschleunigungsmesser 21 messen, ob die Bewegungsrichtung, bezogen auf die horizontale Richtung, nach oben oder nach unten zeigt. Der Horizontalwinkel und Änderungen des Horizontalwinkels werden um die /Achse des (Aroskops gemessen, fine Drehung um die Λ Achse entspricht Änderungen in der Neigung des Fahrzeuges. wenn dieses beispielsweise über die Spitze eines Berges fährt, und eines der beiden Ausgangssignale \om Gyroskop 20 mn nei Freihcitsgraden liefert diese Drehungsinformation.

Nuten 52, ¹M und 56. die it äußeren l'mfang der Plattform 14 vorgesehen sind, wie es in F ι g. 2 dargestellt is', werden ι tr Zusammenhang mit der anfänglichen Ausrichtung des gesamten Trägheitsrichtgerätes verwandt. Diese Nuten bringen den kreisförmigen Teil der pendelnd aufgehängten Plattform 14 in Stellung, wenn diese in eine der sielen diskreten Stellungen um die vertikale -\chse 58 gebracht wird, wie es später im einzelnen beschrieben wird.

F ι g i zeigt in einer schematischen Ansicht ein Anwendungsbeispiel fur das Trägheitsnchtgerat. Gemäß F ι g. 3 ist em Panzerfahrzeug 62 mit einer Raketenabschußeinrichtung 64 ausgerüstet. Die Raketenabschußeinrichtung 64 isi gewöhnlich horizontal orientiert, d. h. fest in einer Stellung auf dem Hauptkörper des Panzerfahrzeuges 62 angeordnet. Es sind jedoch hydraulische Einrichtungen 66 und 68 vorgesehen, un. die Abschußemrichtung 64 in jeden beliebigen Neigungswinkel anzuheben. Das Fahrzejg 62 in Fig. 3 ist mit einem pendelnd aufgehängten Trägheitsrichtgerät 70 versehen, wie es oben anhand der Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, das an der RaketenabschuSeinrichtung 64 angebracht ist. Das Trägheitsrichtgerät 70 ist mit einer örtlichen elektronischen Steuereinheit 72 versehen, von der aus Signale der zentralen Recheneinheit 74 zugeführt werden, die sich im Hauptteil des Panzerfahrzeuges 62 befindet. Diese zentrale Recheneinheit, die die Hauptsteuereinheit 74 bildet wird mit einem Eingangssignal über die Leitung 76 versorgt die mit einem Leitrad 74 oder einem anderen Teil der Antriebseinrichtung für die Gleisketten 80 verbunden ist um eine Wegstreckenanzeige über die Wegstrecke, die das Panzerfahrzeug 62 zurückgelegt hat und über dessen Fahrtgeschwindigkeit zu liefern.

Das Trägheitsrichtgerät 70 liefert daher eine Information, die in zwei verschiedenen Weisen verwandt wird. Wenn sich das Fahrzeug bewegt und die Raketenabschußeinrichtung 64 fest nach unten auf dem Hauptteil des Körpers des Panzerfahrzeuges 62 festgelegt ist. ist die Pendelachse des Trägheitsrichtgerätes 70 zu der normalen von vorne nach hinten verlaufenden Bewegungsrichtung des Fahrzeuges ausgerichtet. Wenn das Fahrzeug jedoch steht, und sich die Raketenabschußeinrichtung 64 in einer hochgestellten Abschußstellung befindet, wie es in F i g. 3 dargestellt ist. liefert das Trägheitsrichtgerjlt 70 sowohl eine anfängliche Information über den Horizontal- wie auch Neigungswinkel zur Orientierung der Vorrichtung und stellt gleichfalls Änderungen, die auf das Abfeuern einer Raketensalve oder ein Absetzen des schweren Panzerfahrzeuges 62 auf weichem Boden auftreten können, fest.

Im folgenden wird das Verfahren der anfänglichen

Ahm iCnuing i>c5Cfirici/Cn, u35 uäZü uiCui, diCjCititC Richtung zu bestimmen, in die die Pendelachse 50 auf der Frdoberfläche zeigt. Rs ist bekannt, daß der Rotor eines Gyroskops dazu neigt, im Trägheitsraum eine feste Orientierung beizubehalten, so daß das Instrument Änderungen in der Orientierung um seine Empfindlichkeitsachse aus der anfänglichen Orientierung im Trägheitsraum feststellen kann. Während in üblicher Weise die Frde als Bezugskoordinatensystem herangezogen «ird. ist der Trägheitsraum ein Beziigskoordmatensystem. das durch die Stellung von Fixsternen am Himmel bestimmt ist, und bezüglich des Trägheitsraumes dreht sich unsere Erde natürlich alle 24 Stunden nominell um 360'. Ein Gyroskop, das Drehbewegungen relativ zum Trägheitsraum wahrnimmt, wird somit nominell um 15". d.h. tatsächlich um 15.0412+ pro Stunde allein durch die Drehung der Erde um seine Achse gedreht. Wenn sich ein einziges Gyroskop auf dem Erdäquator befindet und seine Kreiselachse nach Norden weist, wird natürlich im wesentlichen kein Effekt durch das Gyroskop aufgrund der Drehung der Erde wahrgenommen, da das Gyroskop weiter zum wahren Nordpol zeigt, wenn sich die Erde dreht. Das im folgenden mehr im einzelnen beschriebene Verfahren der Ausrichtung nutzt die Faktoren aus. die im obigen angeführt wurden, um die genaue Winkelorientierung der Pendelachse des Trägheitsrichtgerätes zu bestimmen. Bei diesem Verfahren erfolgt eine Messung der Erddrehung und anderer Parameter, wobei das Gyroskop und der Beschleunigungsmesser in eine Richtung zeigen, und werden anschließend das Gyroskop und der Beschleunigungsmesser relativ zu der sich nicht drehenden, pendelnd aufgehängten Halterung 24 um 18C gedreht Wena wie im folgenden Fall, nur ein Gyroskop verwandt wird, wird vorzugsweise eine dritte Winkelorientierung unter einem Winkel 90°, d.h. auf halbem Wege zwischen den beiden anderen Orientierungen verwandt, um die Empfindlichkeit zu vergrößern, wenn die Pendelachse 50 so orientiert ist, daß sie nach Osten oder nach Westen zeigt.

Im folgenden werden die Verfahrensschritte und die entsprechende mathematische Analyse zur anfänglichen Ausrichtung einschließlich der Bestimmung des Horizontalwinkels aus der Erddrehung beschrieben. Bei der folgenden Analyse ist die Stellung A die normalerweise verwandte Stellung der drehbar und pendelnd aufgehängten Plattform 14 (F i g. 1 und 2), wobei eine Schrittschaitrolle eine Arretierung 84 in der Nut 56 bildet In der Stellung B ist die Plattform 14 um 180= gedreht, so daß die Nut 52 mit der Arretierung 84 in

F.ingriff steht, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Diese Drehung erfolgt über einen Antriebsmotor 22. der am drehbaren Teil der Plattform 14 angebracht ist und mit einem kleinen Zi.hnrad 86 versehen ist. das mit einem größeren Zahnrad 88 kämmt, das seinerseits fest am mittleren rohrförmigen Teil 25 der pendelnd aufgehängten Halterung 24 befestigt ist, die sich nicht mit der Platt';-m 14 dreht. Die dritte Stellung C liegt um 90" winkelverschoben zwischen den Stellungen A und Bund ist durch die Nut 54 bestimmt.

Fig.4 zeigt den drehbaren Tisch, d. h. die Plattform 14 zusammen mit den drei Nuten 52, 54 und 56 und der Schrittschaltrolle, die die Arretierung 84 bildet. Drei Mikroschalter 12,14 und % arbeiten mit einem Nocken 98 zusammen, um Signale zu erzeugen, die die Orientierung des Tisches in der richtigen allgemeinen Winkdorientierung angeben, wobei der Tisch endgültig durch die Arretierung 84 in Stellung gebracht wird, die in eine der Nuten eingreift. Die Mikroschalter bewirken ein Abschalten des Motors 22, wenn die richtige annähernde Winkelstellung erreicht ist und identifizieren natürlich die Stellungen /V Π oder ( für die elektronische Schaltung der Vorrichtung.

Was die mathematische Analyse anbetrifft, so werden die folgenden Symbole mit den Indizes A. ß und (. die sich auf Messungen in den Stellungen Λ. H und C beziehen, und mit den Indizes v. \ und / verwandt, die sich auf die Richtung V und Drehungen um die .V- und die Z-Achse beziehen. Unter anderem werden die folgenden weiteren Symbole verwandt:

Φ geografische Breite (ein von außen eingegebener

Wert für die Vorrichtung)
Ω Drehgeschwindigkeit der Erde
w Drehgeschwindigkeit in Radian pro Sekunde
A Beschleunigung
i/' Kurs oder Azimut
f Höhennullabgleich des Gyroskops

Nullabgleich des Beschleunigungsmessers
(-) Schräglage, d. h. Neigung der Pendelachse nach

oben oder nach unten
(7 Azimul-Nullabgleich des G\ roskops

Verfahrensschritt 1: Stellung A

Meßwerte:Gyroskop:ω\ i.o)/.\
Beschleunigungsmesser: .4 > ^

Verfahrensschritt 2: Stellung B

Meßwerte: Gyroskop: ω\ρ. ω/s
Beschleunigungsmesser: A > β

<! = SIN

lt> \ ,-

2 ßCOS Φ

M)

wenn y>45^:. weiter zu Stellung C

Aus dieser Drehung um einen bekannten Winkel wird auch der Skalenfaktor des Drehmomenterzeuger für die / Achse des Gyroskops berechnet.

Verfahrensschritt 3: Stellung C. die nur dann erwandt wird, wenn der Kurs oder der Azimut ψ innerhalb von 45' Ost oder West liegt:

Meßwert: Gyroskop: ui\,

Kiiisnerechnuni!:

I Λ Ν

"¹IH

«ι ' 2m_u

((H

I i g. 5 zeigt ein dreidimensionales Diagramm zur Erläuterung der Rechenvorgiinge. ilie in Verbindung mit dem Wcgstreckenzähler des Fahrzeuges verwandt werden. Wenn der Trägheitskörper in Verbindung mit dem Wegstreckenzähler verwandt wird, wird die Pendelachse des Trägheitskörpers zur von vorne nai.li hinten verlaufenden Vorwärtsrichtung des Fahrzeuges ausgerichtet. Wie es in F i g. 3 dargestellt ist. wäre das dann der Fall, wenn die Raketenabschußeinrichtung 64 sich in ihrer abgesenkten Stellung befindet, in der sie fest am Hauptkörper des Panzerfahrzeuges 62 anliegt.

Wie es in F i g. 5 dargestellt ist. befindet sich das Fahrzeug am Anfang an der Stelle 102 und wird zur Stelle 104 längs eines nach oben gerichteten Weges 106 gefahren. In F i g. 5 ist die horizontale Linie 108 die direkt darunterliegende Projektion des Kurses, d. h. des Weges 106. wobei das äußere Ende 110 der horizontalen Linie 108 in einem Abstand JZunter der Stelle 104 liegt.

In der Praxis wird am Anfang die Peilung B von der echten Nordrichtung zur vert ikalen Ebene bestimmt, die durch die Linien 106 und 108 definiert ist. Darüber hinaus wird der Neigungswinkel Fder Stelle 104 von der Stelle 102 bestimmt. Nach der Eingabe der Winkel B und E und der darauffolgenden anfänglichen Ausrichtung der Vorrichtung wird das Fahrzeug von der Stelle 102 zur Stelle 104 gefahren. Der Abstand zwischen der Stelle 102 und der Stell·; 104 liegt im übrigen vorzugsweise in der Größenordnung von etwa 300 m.

Nach dem Übergang von c er Stelle 102 zur Stelle 104 wird der Wegstreckenzähler abgelesen, wird die zurückgelegte Strecke bestimmt, wie sie durch den Beschleunigungsmesser angegeben wird, und werden die Ausgangssignale des Gyroskops dazu verwandt, die Werte AX. A Y und AZ zu berechnen. Danach werden der Fehlausrichtungswinkel in Querrichtung, der Neigungsfehlausrichtungswinkel und der Skalenfaktor des Wegstreckenzählers nach den folgenden Gleichungen 7. 8 .:nd 9 bestimmt.

Fehlausrichlungswinkei in Querrichtung

AB -- B -TAN — — (")

Θ = SIN

C-1

(4)

ω₇_, + Q(COS Φ SIN Θ COS ψ - SIN Φ COS θ)

(5)

Neigungsfehlausrichtungswinkel
AZ

= E-JKS -==

ν J V- + J } Skalenfaktor des Wegstreckenzählers

^s=5<(t§T7&)^::

(8)

(9.

dabei ist:

Π Peilung von der wahren Nordrichtung der Stelle

104, gemessen an der Stelle 102
Δ B Fehlausrichtungswinkel in Querrichtung
Δ Y Abstand der Stelle 104 östlich von der Stelle 102
ΔΧ Abstand der Stelle 104 nördlich von der Stelle 102 E Neigungswinkel des Kurses über der horizontalen Richtung

E Neigungsfehlausrichtungswinkel
7 Abstand der Stelle 104 über der Stelle 102
.S',, Skalenfaktor des Wegstreckenzählers
S\ Skalenfaktor des Beschleunigungsmesser»
Λ'.. Nordabstand, berechnet aus Messungen des Wegstreckenzählers
X\ Nordabstand, berechnet aus Messungen des Be

schieunigungsmessers
>ii Ostabstand, berechnet aus Messungen des Weg-Mt CLfSCll/.rtlHCI Λ

Vi Ostabstand, berechnet aus Messungen des Beschleunigungsmessers

Im vorhergehenden wurden das pendelnd aufgehängte Trägheüsrichtgerüt und eine Anordnung /um Anbringen des Trägheitsnchtgerätes an einer beweglichen Konstruktion, beispielsweise an einem Fahrzeug sown- das Verfahren der anfanglichen Ausrichtung für das Trägheitsriciitgerat und die anschließenden Berechnungen beschrieben, wenn es in Verbindung mit dem Ausgangssignal eines Wegstreckenzählers des Fahrzeuges verwandt wird. Was den Beschleunigungsmesser und das Gyroskop anbetrifft, die in dem Träghcitsrichtgerät verwandt werden, können irgendein geeignetes Strap Down-Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden und irgendein Beschleunigungsmesser mit relativ hoher Genauigkeit verwandt werden. Vom Standpunkt des Betriebsverhaltens ist es jedoch um so günstiger, je höher die Genauigkeit und je kleiner die Größe sowohl des Beschleunigungsmessers als auch des Gyroskops sind.

In F i g. 6 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das zeigt, daß Eingangssignal!: vom Wegstreckenzähler 122. der sich am Rahmen 124 eines Fahrzeuges befindet, vom Gyroskop 20 und vom Beschleunigungsmesser 21 empfangen werden, die einen Teil der Trägheitseinrich-"ing 126 bilden, die in Fi g. 1 dargestellt ist. Der nächste Verfahrensschritt bei der Verarbeitung der Daten vom Wegstreckenzähler 122. vom Gyroskop 20 und vom Beschleunigungsmesser 21 besteht in einer Kompensation nach den folgenden mathematischen Beziehungen, wobei diese Funktion durch die Blöcke 128, 130 und 132 in F i g. 6 wiedergegeben wird. Die Signale vom Gyroskop werden dann in Signale umgewandelt, die den Horizontalwinkel und die Neigung wiedergeben und eine Anzeige der Roll- oder Wälzbewegung liefern. Diese Funktion ist symbolisch durch den Block 134 dargestellt, der mit Lageerzeugung in F i g. 6 bezeichnet ist. Unter Verwendung der Lageinformation und der Eingangssignale vom Wegstreckenzähler und vom Beschleunigungsmesser, die eine Streckeninformation liefern, wird als nächstes die Streckeninformation, die vom Wegstreckenzähler und vom Beschleunigungsmesser erhalten wird, in Standardlängen und Breitenkoordinaten oder in Universal Transverse Mercator Northings and Eastings (militärisches Universalnetzsysteinibezü" lieh der Nordsüd- und Ostwestrichtungen umgewandelt Diese Funktion wird durch die Blöcke 136 und 138 wiedergegeben. Die Funktion der Bestimmung der gegenwärtigen Position, die durch den Block 142 dargestellt ist. erfolgt unter Verwendung der am Eingang 140 zugeführten Anfangsbedingungen einschließlich der Information über die Position und die Lage. Geeignete Anzeigesignale oder elektrische Ausgangssignale werden zur Anzeige der laufenden Position des Fahrzeuges geliefert.

Wie es oben beschrieben wurde, stellt F i g. 6 ein schematisches Funktionsblockschaltbild dar, das die Arbeitsweise wiedergibt, wenn sowohl der Wegstrek· ken7ähler als auch die Trägheitseinriehtunq verwandt werden.

F i g. 7 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Trägheitsrichtgerätes und der zugehörigen Schaltung, das aus drei Hauptteilen besteht, die durch vertikale gestrichelte Linien getrennt sind. Von links nach ^rcchts sind diese drei Teile der Teil I: die Tnigheitseinrichtung. der Teil II: die elektronische Schaltung der Trägheitscinrichiü"" und der Teil !!!der Rechner

Was zunächst die Trägheitseinrichtung betrifft, so enthält sie den optischen Kodierer 32 für eine Roll- oder Wälzbewegung und die Gyroskopeinheit, die nur ein einziges Gyroskop enthält, das jedoch in Form von zwei Achsen dargestellt ist. um die das Gyroskop empfindlich ist. und daher speziell durch zwei benachbarte Blöcke 152 und 154 bezeichnet ist. die das Ausgangssignal Xdes Gyroskops und das Ausgangssignal Z des Gyroskops jeweils wiedergeben. Der Block 21 des Beschleunigungsmessers ist mit K-Beschleunigung bezeichnet, um anzugeben, daß der Beschleunigungsmesser in der Richtung der V'Achse empfindlich ist. die natürlich zur Pendelachse 50 der Trägheitseinrichtung ausgerichtet ist. wie es im vorhergehenden anhand von F i g. 2 beschrieben wurde. Der Motor 22 der Plattform befindet sich gleichfalls im linken mit I: Trägheitseinrichtung. bezeichneten Teil. Der Motor 22 betreibt die drehbar angeordnete und pendelnd gehaltene Plattform 14. auf der der Beschleunigungsmesser und das Gyroskop fest angebracht sind, wobei diese Drehung im Verlauf des Vorganges der anfänglichen Ausrichtung auftritt. Der Dämpfer 156 für die Roll- ^der Wälzbewegung, der in Fig. 7 dargestellt ist. bezieht sich auf den Teil der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung, der die mit 26, 28 und 30 bezeichneten Bauelemente enthält. Die Temperatur des Gyroskops, des Beschleunigungsmessers und des Dämpfers wird über Widerstände 158, 160 und 162 jeweils gemessen.

Im Teil II in Fig. 7. der die elektronische Schaltung der Trägheitseinrichtung darstellt, befindet sich eine Schaltung 164 zum Nachgleich des .V-Impulses des Gyroskops, eine Schaltung 166 zum Nachgleich des Z-Impulses des Gyroskops, eine Konditionierschaltung 168 für das Temperatursignal, eine Schaltung 170 zum Nachgleich des F-Impulses des Beschleunigungsmessers und ein Regler 172 für den Motor des Tisches. Die Energieversorgung zum Antreiben und Erregen der Trägheitseinrichtung ist durch den Block 174 bezeichnet. Die Energiequelle zum Erregen des Gyroskops und zum Antreiben des Kreiselmotors für das Gyroskop ist durch den Block 176 wiedergegeben.

Der auf der rechten Seite in F i g. 7 befindliche und mit III: Rechner, bezeichnete Teil enthält die Schnittstellenschaltung 178 für den Eingangsimpuls, einen Analogdigitalwandler 180 und eine Steuerbezugseinheit 182, die die Eingangs-ZAusgangsschnittstellenschaltung enthält. Ein Mikroprozessor 184 ist über die Sammelleitung 186 angeschlossen, um über diese Signale zu empfangen und eine Information auf die Steuerbezugs-

einheit 182 zu übertragen. Dtr Steuerbezugseinheit 132 werden die geografische Breite und die Art der Steuerung eingegeben, wobei diese Eingabe dazu dient, zwischen der anfänglichen Ausrichtung, der Berechnung und dem normalen Betrieb das gesamte System zu unterscheiden.

Das Funktionsdiagramm in Fig. 6 und das Blockschaltbild in Fig. 7 sind lediglich Schaltungsdarstellungen, die zeigen, wie das Trägheitsrichtgerät in verschiedene Systeme eingebaut werden kann. Wenn andere Arten von Strap-Down-Gyroskopen oder Beschleunigungsmessern verwandt werden, werden natürlich elektronische Schaltungen benutzt, die mit derartigen Gyroskopen und Beschleunigungsmessern verträglich sind.

Der Vollständigkeit halber werden im folgenden gewisse mathematische Analysen angegeben, die dazu nützlich sind, Fehler zu begrenzen, die sonst die A ,.Uniiconirn At*r orfinrliinac»TP ma Rpii Vnrr irh 111 η α

nachteilig oeeinfltissen würden.

Zuerst müssen Korrekturen des Pendelausschlages aufgrund von Beschleunigungen während des Laufes des Fahrzeuges erfolgen, um eine große Fehlerquelle zu vermeiden, die aus der Zentrifugalbeschlcunigung während einer andauernden Fahrzeugwendung oder Drehung entstehen könnte. Mit der Information vom Wegstreckenzähler kann diese mögliche Fehlerquelle jedoch korrigiert werden. Es gilt die allgemeine Beziehung:

α ~ ro ■ r
in Vektordarstellung oder

a, = ω- ■ i\
wobei

( Uli

(II) von der X-Achse des Gyroskops integriert wird, werden Fehler beispielsweise der Fehler aufgrund einer Abweichung des Nullabgleiches des Gyroskops mit der Zeit zunehmen.

(j, = Beschleunigung aufgrund einer Zentrifugalkraft

ώ- = Drehgeschwindigkeit des Fahrzeuge*, gemessen durch die Z-Achse des Gyroskops

\\ = Fahrzeuggeschwindigkeit in Vorw.risrichtung.

Durch den Wegstreckenzähler wird ein Maß von V) geliefert, während ein Maß für ώ.. durch das Ausgangssignal einer Empfindlichkeitlachse des Gyroskops geliefert wird. Nach der Berechnung der Beschleunigung a, kann der Winkel i\ um die das Pendel versetzt worden ist, leicht aus dem folgenden Ausdruck bestimm; werden:

(■)(/> - H₁₁ +

w_x (/)) di

(13)

wobei ώ. die Winkcldrehgcschwindigkcit. gemessen durch die Y- \chse ties Gyroskops ist (siehe Fig. 2|.

Der Beschleunigungsmesser Helen jedoch auch ein Mali für ilen Winkel (-)(i). bezogen auf die l.rdbeschleuniiHini: u:

(■)

!14)

Durch eine passende Glättung oder Mittelung der Ablesungen des Beschleunigungsmesseis ist ein unabhängiges Maß für den Wert θ erhältlich, wodurch der Neigungsfeh'er oer Vorrichtung auf einen Wert begrenzt wird, der durch den Fehler des Nullabgleiches des Beschleunigungsmessers bestimmt ist.

Wenn sich das Rad- oder Gleiskettenfahrzeug über ein sich änderndes Gelände bewegt, ändert sich das Maß. in dem die Räder oder Gleisketten rutschen, was zu einer effektiven Änderung des Skalenfaktors des Wegstreckenzählers führt. Der Beschleunigungsmesser kann dazu benutzt werden, diesen sich ändernden Skalenfaktor m der folgenden allgemeinen Weise zu ermitteln und zu korrigieren.

Die Ärderung der Geschwindigkeit Av-.-, über ein kurzes Zeitintervall, gemessen durch den Wegstreckjnzähl-;r, kann in der folgenden Weise dargestellt werfen:

.IC;. - VJ Γ

\\ ο h e i

.V der .Skalenfaktor des Wegstrecken/ ■!.'">. .11' die vom Wegstrecken/ähler ;:.nK^-,.-ne Geschwindigkeitsänderung und

.Iv die abgeschätzte Ge sch w ιndi^seit -ariderung sind, die unter Verwendung de- ikaienfakinr.ih-chai-/Ling S₁ angegeben wird.

Die Abschätzung der Geschwindigkeitsänderung, gemessen durch den Beschleunigungsmesser über dasselbe Zeitintervall ist gleich:

112 ι

wobei #der Erdbeschieunigungsfaktor von 9.81 m/sek² ist

Der Beschleunigungsmesser kann während des Laufes des Fahrzeuges dazu verwandt werden, den Anstell- oder Neigungsfehler in Grenzen zu halten und den Skalenfaktor des Wegstreckenzählers fortlaufend nachzustellen, um Änderungen in den Straßenverhältnissen oder ähnlichem Rechnung zu tragen.

Da der Neigungswinkel θ der Vorrichtung dadurch bestimmt wird, daß mathematisch das Ausgangssignal Jv = .S". ) <7..d/ - I sßäi

(16)

wobei °Θ die Korrektur der Beschleunigung für den Neigungswinkel zum Eliminieren der Erdbeschleunigung.

ä. die gemessene Beschleunigung in Vorwärtsrichtung des Fahrzeuges und

S^ der Skaieiifakior des Beschleunigungsmessers

sind.
Durch Gleichsetzen dieser beiden Gleichungen und

durch Auflösen für den neuen abgeschätzten Wert S₁₁ wird erhalten:

S., I ä.di - j S0di

(17)

Unter Verwendung der Gleichung (17) wird ein fortlaufend auf den neuesten Stand gebrachter Wert des Skalenfaktors des Wegstreckenzählers erhalten.

Was die Eigenschaften anbetrifft, die die pendelnd aufgehängte Anordnung des Trägheitsrichtgerätes insgesamt zeigt, so führen diese dazu, die Z-Achse (Fig.2) des Gyroskops in einer Ebene zu halten, die parallel zum Schwerkraftvektor liegt, und die .Y-Achse des Gyroskops horizontal zu halten. Die Anrdnung führt weiterhin dazu, daß das Ausmaß der Roll- oder Wälzbewegungen des Fahrzeuges von der pendelnd aufgehängten Plattform entkoppelt wird, die die

Instrumente trägL Dadurch ist eine Herabsetzung der gesamten Trägheitsinstrumentierung von einem vollständigen Trägheits-Strap-Down-Richtsystem aus zwei Gyroskopen mit zwei Freiheitsgraden und drei Beschleunigungsmessern auf eine Ausbildung mit einem Gyroskop und einem Beschleunigungsmesser möglich. Das Trägheitsrichtgerät, die mit dem Wegstreckenzähler des Fahrzeuges verwandt wird, stellt somit eine preiswerte und relativ genaue Einrichtung zum Bestimmen der Position und Orientierung dar, die in sich geschlossen ist und keine äußeren Funksignale oder andere Signale benötigt und darüber hinaus keiner Störungen unterliegt Die im obigen beschriebene Geometrie ist zur Beseitigung von Fehlern hilfreich, die sonst die Genauigkeit der Vorrichtung herabsetzer würden. Es versteht sich, daß andere Gyroskope beispielsweise kernmagnetische Resonanzgyroskops oder Lasergyroskope das im obigen beschriebene Strap-Down-Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden bilder können, und daß andere mechanische Anordnungen zui Ausführung der dargestellten Funktionen verwand werden können.

Hicmi 5 Blau Zcichmiiiiicii

Claims

Patententansprüche:

1. Trägheitsrichtgerät zum Bestimmen der Raumorientierung einer in einem Gerät definierten Achse und zum Bestimmen der Stellung einer einstellbaren, das Trägheitsrichtgerät tragenden Haltekonstruktion, bei dem auf einer mindestens einen Freiheitsgrad aufweisenden Plattform ein Gyroskop mit zwei Freiheitsgraden vorgesehen ist, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die Plattform (14) um die Achse (50) pendelnd aufgehängt ist, deren Raumorientierung zu bestimmen ist, daß auf der Plattform zusätzlich zu dem die Azimutabweichung zur Nord-Süd-Richtung bestimmenden Gyroskop (20) ein Beschleunigungsmesser (21) zur Neigungswinkelbestimmung gegenüber der durch die Richtung der Erdanziehung bestimmten Vertikalen angeordnet ist, und daß die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers (21) und die Kreiselachse des Gyroskops (20) in die in ihrer Raumorientierung zu bestimmenden Richtung der Achse (50) ausgerichtet sind.

2. Trägheitsrichtgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattform (14) um eine Achse (58) drehbar ist, die senkrecht auf der Achse (50) steht, deren Orientierung im Raum zu bestimmen ist, und daß die Plattform (14) in vorbestimmte Drehstellungen einstellbar ist.

3. Trägheitsrichtgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schrittschalteinrichtung (22,52,54,56,84,92,94,96,98) zum Einstellen einer Vielzahl von festen diskreten Winkelstellungen der Plattform (14) vorgesehen ist.

4. Trägheitsrichtgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittschalteinrichtung eine Verdrehung der Plattform zwischen drei vorbestimmten Stellungen erlaubt, die um 90 Grad gegeneinander verdreht liegen, und daß zwei dieser Stellungen so gewählt sind, daß die gemeinsame Achse (y), die durch die Empfindlichkeitsachse des Beschleunigungsmessers (21) und durch die KreisH-achse des Gyroskops (20) bestimmt ist, parallel zu der Achse (50) verläuft, deren Orientierung im Raum

zu bestimmen ist. 4·ί

5. Trägheitsrichtgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Dämpfungseinrichtung (26), die die Empfindlichkeit der pendelnd aufgehängten Plattform (14) gegen Stöße herabsetzt. V)

6. Verwendung des Trägheitsrichtgerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Feststellung der Stellung eines Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsrichtgerät über die Haltekonstruktion (11) an einem Fahrzeug (42) befestigt ist, daß an a dem Fahrzeug (62) ein Wegstreckenzähler (78) vorgesehen ist, und daß eine die Stellung des Fahrzeugs anzeigende elektronische Schaltung (142) vorgesehen ist, die Eingangssignale von dem Gyroskop (20), dem Beschleunigungsmesser (21) und ho dem Wegstreckenzähler (78) empfängt.