DE2843034A1

DE2843034A1 - Steuer- und stabilisierungssystem fuer fahrzeuge

Info

Publication number: DE2843034A1
Application number: DE19782843034
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Hamel; Ruediger Dr Ing Karmann
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1978-10-03
Filing date: 1978-10-03
Publication date: 1980-08-21
Also published as: DE2843034C2

Description

Steuer- und Stabilisierungssystem für Fahrzeuge
Die Erfindung betrifft ein Steuer- und Stabilisierungssystem für Fahrzeuge, insbesondere Fluggeräte und Schiffe, mit einem Lagebestimmungssystem mit drei fest im Fahrzeug eingebauten Magnetometern mit jeweils senkrecht zueinander stehenden Achsen in Richtung der Fahrzeugachsen, mit Mitteln zur Transformation der fahrzeug festen Magnetometer-Koordinaten in geodätische Koordinaten, und mit einem zusätzlichen Lagesensor für eine Zusatzinformation für eine der drei Fahrzeuglagen.
Lagebestimmungssysteme der vorstehend erwähnten Art sind bekannt (R. Pietila und W.R. Dunn - A Vector Autopilot System, TEEE Transaction on Aerospace and Electronic Systems Vol. AES-12, No. 3, May 1976). Sie zeichnen sich dadurch aus, daß bei ausreichender Genauigkeit des Systems preiswerte Bauelemente verwendbar sind, die darüber hinaus eine platzsparende Anordnung ermöglichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein geomagnetisches SteuerundtStabilisierungssystem unter Verwendung eines Lagebestimmungssystems der genannten Art zu schaffen, das mit einem Mikro-Prozessor als Rechner betreibbar ist und daher als Gesamtsystem die Vorteile eines einfachen Aufbaus und einer kompakten Anordnung hat.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ausgangssignale der Magnetometer und des Zusatzsensors einem Mikro-Prozessor aufgegeben werden, in dem die Transformation der Magnetometersignale durchgeführt und die transnormierten Magnetometersignale mit den Stützwerten des Zusatzsensors verkoppelt werden und in dem weiter in Abhängigkeit von den Werten für eine vorgegebene Soll-Bewegung die notwendigen Regelspannungen für den Regler und das Stellsystem des Fahrzeuges errechnet werden.
In dem Mikro-Prozessor können die jeweils für den Operationsbereich des Fahrzeuges gültigen Daten des Erdmagnetfeldes, nämlich Inklination, Deklination und Totalintensität als Ist-Werte gespeichert sein, mit deren Hilfe dann die jeweilige Lage errechenbar ist.
Für viele Fälle reicht für die Koordinatentransformation eine elektrische Widerstandsmatrix aus Im Mikro-Prozessor können zusätzlich Daten eines Programms für einen vorgegebenen Bewegungsablauf für das Fahrzeug eingebbar sein. Dieses Programm kann zeitabhängig, aber auch orts- oder bewegungsabhängig sein.
Vorzugsweise sind die Magnetometer mit einer Magnetfeld-Nullpunkt-Kompensation versehen, wobei dann die Sollagen des Fahrzeugs durch Einspeisung eines Kompensations-Stroms in die Magnetometer-Kompensationsspule einstellbar sind.
Hierdurch werden die Rechneroperationen vereinfacht.
Anstelle eines Drei-Achsen-Magnetometersystems kann auch ein um die Vertikalachse mechanisch um 900 schwenkbares Zwei-Achsen-Magnetometersystem verwendet werden.
Zur Stabilitätsverbesserung des Fahrzeuges können die Anderungsgeschwindigkeiten der Lagewinkel mittels eines Induktionsspulentripels in Verbindung mit einem Stützwertgeber signalmäßig erzeugt werden und als Regelspannungen dem Regler und dem Stellsystem zur Verfügung stehen.
Das erfindungsgemäße Steuersystem ist in der Zeichnung in Form eines Blockschaltbildes für die Steuerung und Stabilisierung eines F 1 u g g e r ä t e s beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand dieses Schaltbildes beschrieben.
Zur Bestimmung der Ist-Lage des Fluggerätes ist ein Sensor 2 vorgesehen, der aus einem Magnetometersystem mit drei fest im Fluggerät eingebauten Magnetometern (Magnetometertripel) mit jeweils senkrecht zueinanderstehenden Achsen in Richtung der Achsen des Fluggerätes ausgebildet ist, wobei anstelle eines orthogonalen Drei-Achsen-Magnetometersystems auch ein um die Vertikalachse (Z-Achse) um 900 mechanisch schwenkbares Zwei-Achsen-System in Form eines x-z bzw. y-z-Systems verwendet werden kann. Bei dem Drei-Achsen-System wird die Auswahl zwischen der x- bzw. y-Komponente in Abhängigkeit vom Kurs vorgenommen, da in Ost-West-Richtung eine Kursbestimmung vorzugsweise mit den x-z-Magnetometerkomponenten und in Nord-Süd-Richtung eine Kursbestimmung vorzugsweise mit y-z-Magnetometerkomponenten durchgeführt wird Zusätzlich zu dem Sensor 2 mit dem Magnetometersystem ist ein Zusatzsensor 4 vorgesehen, der die Zusatzinformation für eine der drei Fluglagen gibt, die zusätzlich zu den Magnetometerausgangssignalen zur eindeutigen Bestimmung der Fluglage erforderlich ist. Als Zusatzsensor kann ein Pendel verwendet werden. Es ist aber auch möglich, einen auf das erdelektrische Feld ansprechenden Sensor zu verwenden.
Die Ausgangssignale des Sensors 2 und des Zusatzsensors 14 werden in einen Prozeßrechner 6 eingegeben, für den ein Mikro-Prozessor verwendbar ist. In dem Rechner 6 sind als Festwerte die Daten des erdmagnetischen Feldes für den Operationsbereich des Fluggerätes eingegeben, nämlich Inklination, Deklination und Totalintensität. Mit Hilfe der gespeicherten Werte des Erdmagnetfeldes werden im Rechner die vom Magnetometersystem ermittelten Komponenten des Erdmagnetfeldes in geodätische Koordinaten transformiert.
Der Sensor 2 ist fest im Körper des Fluggerätes angeordnet.
Die Koordinatentransformation erfolgt von flugkörperfest auf erdmagnetfeldfest.
In den Rechner werden weiter die Soll-Werte für Lage und Kurs des Fluggerätes eingegeben, wobei diese Soll-Werte beispielsweise einen horizontalen Geradeausflug des Fluggerätes festlegen können. Es ist aber auch möglich, zeitabhängige und/oder orts- und wegabhängige Programme in den Rechner einzugeben.
Im Rechner werden die transformierten Magnetometersignale mit den Stützwerten des Zusatzsensors verkoppelt. In Abhängigkeit von den vorgegebenen -Soll-Werten wird vom Rechner die notwendige Regelspannung errechnet und auf den Regler 8 aufgegeben.
Über den Regler wird das Stellsystem 10 beaufschlagt, mit dem die Lage des Fluggerätes 12 von der Ist-Lage in die vorgegebene Soll-Lage gebracht wird.
Da die erdmagnetischen Daten für einen geographischen Breitenbereich in der Größenordnung von 200 bis 250 km als nahezu konstant angesehen werden können, arbeitet das erfindungsgemäße Steuer- und Stabilisierungssystem in diesem Bereich mit ausreichender Genauigkeit, wenn für die Festwerte die Daten des Erdmagnetfeldes aus der Mitte des Operationsbereiches eingegeben werden. Es ist selbstverständlich möglich, die Daten des Erdmagnetfeldes auch für eine Mehrzahl von Bereichen zu speichern und dann abhängig von der jeweiligen Position des Fluggerätes auf die jeweils verbindlichen Werte umzuschalten.
Für viele Fälle ist es ausreichend, die Koordinaten-Transformation um eine vorgegebene Fluglage zu linearisieren, beispielsweise bei horizontalem Geradeausflug. Eine solche Linearisierung ermöglicht dann den Einsatz einer elektrischen Widerstands-Matrix zur Koordinaten-Transformation. Dies führt dann zu einer wesentlichen Verringerung der erforderlichen Rechnerkapazität.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Magnetometer mit Kompensationsspulen verwendet. Durch Einspeisung eines Kompensationsstromes in die Kompensationsspule lassen sich in einfacher Weise Soll-Fluglagen vorgeben. Auch durch diese analoge Magnetfeld-Nullpunktkompensation kommt es zu einer Entlastung des Rechners.
Steuer- und Stabilisierungssysteme, wie sie im vorstehenden unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben sind, lassen sich mit relativ geringem Aufwand und mit geringem Raumbedarf realisieren. Die Kosten eines solchen Steuersystems liegen drastisch unter bekannten Steuersystemen vergleichbarer Leistungsfähigkeit. Das erfindungsgemäße Steuersystem eignet sich daher insbesondere zur Ausrüstung von unbemannten Fluggeräten sowie Kleinflugzeugen.
Das Steuersystem, das im vorstehenden in Anwendung auf ein Fluggerät beschrieben worden ist, ist auch verwendbar für Schiffe, und zwar insbesondere kleinere Schiffe, wie Segelschiffe, die erheblichen Rollbewegungen unterliegen und in denen der übliche Magnetkompaß nicht ausreicht, eine Kursbestimmung mit der erforderlichen Genauigkeit zu erreichen.
Für Stabilisierungssysteme werden zur Erreichung einer hinreichenden dynamischen Stabilität häufig die Anderungsgeschwindigkeiten der Lagewinkel benötigt. Hierfür lassen sich vorteilhaft sogenannte Induktionsspulen einsetzen. Die Ausgangs signale des fahrzeugfest installierten Induktionsspulentripels werden dabei der gleichen Koordinatentransformation unterworfen. Die Anderungsgeschwindigkeit eines Lagewinkels wird in Verbindung mit einem Stützwertgeber gewonnen.
Hierfür kann ein weiterer Zusatzsensor vorgesehen werden.
Es ist aber auch möglich, den Stützwert durch die zeitliche Ableitung des Signals des zusätzlichen Lagesensors zu gewinnen.
Die zeitliche Ableitung dieses Signals kann im Mikro-Prozessor berechnet werden oder durch eine zusätzliche elektronische Schaltung.
L e e r s e i t e

Claims

Ansprüche 1. Steuer- und Stabilisierungssystem für Fahrzeuge, insbesondere Fluggeräte und Schiffe, mit einem Lagebestimmunssystem mit drei fest im Fahrzeug eingebauten Magnetometern mit jeweils senkrecht zueinander stehenden Achsen in Richtung der Fahrzeugachsen, mit Mitteln zur Transformation der fahrzeugfesten Magnetometer-Koordinaten in geodätische Koordinaten, und mit einem zusätzlichen Lage-Sensor für eine Zusatzinformation für eine der drei Fahrzeuglagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Magnetometer und des Zusatzsensors einem Mikro-Prozessor aufgegeben werden, in dem die Transformation der Magnetometersignale durchgeführt und die transformierten Magnetometersignale mit den Stützwerten des Zusatzsensors verkoppelt werden und in dem weiter in Abhängigkeit von den Werten für eine vorgegebene Soll-Bewegung die notwendigen Regelspannungen für den Regler und das Stellsystem des Fahrzeuges errechnet werden.
2. Steuer- und Stabilisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Prozessor die jeweils für den Operationsbereich des Fahrzeuges gültigen Daten des Erdmagnetfeldes, nämlich Inklination, Deklination und Totalintensität, als Ist-Werte gespeichert sind.
3. Steuer- und Stabilisierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Prozessor zusätzlich Daten eines Programms für einen vorgegebenen Bewegungsablauf filr das Fahrzeug eingebbar sind.
4. Steuer- und Stabilisierungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm für den Bewegungsablauf zeitabhängig ist.
5. Steuer- und Stabilisierungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Programm für den Bewegungsablauf orts- oder wegabhängig ist.
6. Steuer- und Stabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetometer mit einer Magnetfeld-Nullpunkt-Kompensation versehen sind, und daß die Soll-Lagen des Fahrzeugs durch Einspeisung eines Kompensationsstromes in die Magnetometer-Kompensationsspule einstellbar sind.
7. Stauer- und Stabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Drei-Achsen-Magnetometersystems ein um die Vertikalachse mechanisch um 900 schwenkbares Zwei-Achsen-Magnetometersystem verwendet wird.
8. Steuer- und Stabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Koordinatentransformation eine elektrische Widerstands-Matrix vorgesehen ist.
9. Steuer- und Stabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilitätsverbesserung des Fahrzeugs die Anderungsgesehwindigkeiten der Lagewinkel mittels eines Induktionsspulentripels' in Verbindung mit einem Stützwertgeber signalmäßig erzeugt werden und als Regelspannungen dem Regler und dem Stellsystem zur Verfügung stehen.
10. Steuer- und Stabilisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützwertgeber für die Ermittlung der Anderungsgeschwindigkeit der zusätzliche Lage-Sensor vorgesehen ist und daß als Stützwert die zeitliche Ableitung des Signals des zusätzlichen Lage-Sensors ermittelt wird.
11. Steuer- und Stabilisierungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Stützwertgeber ein weiterer Zusatzsensor vorgesehen ist.