DE2903282C2

DE2903282C2 - Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung

Info

Publication number: DE2903282C2
Application number: DE2903282A
Authority: DE
Inventors: Uwe 7770 Ueberlingen Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1979-01-29
Filing date: 1979-01-29
Publication date: 1981-03-12
Also published as: GB2040450A; GB2040450B; FR2447538A2; DE2903282B1; FR2447538B2

Description

Aus dem Verhältnis

und

= y (T₁₁'

T=IlI ' IT Hl ,

V_x

= ο

(I)

(2)

K_Tr

■£ ^{= tan}

Γι kann die Nordabweichung ψ nach

eingerichtet ist, wobei der Index 1 jeweils das Signal vor der Verdrehun⁰ um die vertikale Achse lind der Index 2 das Signal nach dem Rückdrehen in die Ausgangsstellung bezeichnet.

= arc tan

K_T, ■ V_v

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels, bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist, bei welchem die Lage des Kreisels durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmomenterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird, bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind, bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist und bei welchem schließlich die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweienungsrechner geschaltet sind, weicher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefert.

Das Hauptpatent geht davon aus. daß die auf die Drehmomenterzeuger gegebenen, den Kreisel fesselnden Signale U, und U_y mit den Komponenten Q_y und Q_x der Erddrehgeschwindigkeit Ω, bezogen auf die horizontalen Eingangsachsen χ und y des Kreisels, nach folgenden Beziehungen zusammenhängen

bestimmt werden. Diese Beziehungen gehen von idealisierten Verhältnissen aus, die in der Praxis nicht gegeben sind. Insbesondere treten folgende Fehlerquellen auf:

(a) Durch Montagetoleranzen fallen die Kreisel-Eingangsachsen χ und y nicht genau mit dem gehäusefesten Bezugssystem xc yo, ze zusammen, das 4er Signalverarbeitung zugrunde gelegt wird. Diese Fehler können durch Winkel <x,j charakterisiert werden, wobei die Indizes /und ,/als Variable für x, y und ζ bzw. xc yo. to stehen und / eine Eingangsachse und y eine Achie des Bezugssystems repräsentiert. <x,_y ist also z. B. die Verdrehung der Eingangsachse χ um die Koordinatenachse yc-Es können Beschleunigungen auf das System wirken. Diese können durch die Komponenten a,, a, und a₂ in dem gehäusefesten Koordinatensystem xc yo, zg dargestellt werden.

(c) Es kann eine Masseunwucht, dargestellt durch einen Masseunwucht-Koeffizienten m, auftreten.
Es kann Anisoelastizität, dargestellt durch einen Anisoelastizitäts-Koeffizienten n, auftreten.

r, (b)

(e) hs liegt eine Masseamstropie vor, da axiales und polares Trägheitsmoment des Kreiselrotors nicht gleich sind. Diese wird durch einen Masseanisotropie-Koeffizienten dargestellt:

[φ]

(f) Es kann unkompensierte, feste Kreiseldrift B_x. B_y [o/h] um die x- bzw. y-Achse auftreten.

(g) Schließlich ist ein Quadratur-Koeffizient q zu berücksichtigen.

Infolge dieser Fehler mißt der Kreisel durch seine Drehmomenterzeuger statt der Gleichungen (1) und (2) die folgenden Signale:

C-A H

Ω_ζΩ_τ+Β,

_: ü_y - x_xr ü, - ma_x- ._ U_x + B_x (6)

Die Messung der Nordabweichung ψ nach Gleichung (4) wird daher durch die genannten Störeinflüsse verfälscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gerätder eingangs definierten Art die Verfälschung der Messung durch Störeinflüsse wenigstens teilweise zu unterbinden.

Gern'*," einer Lösung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, da3 der Nordabweichungsrechner einen Speieher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180" um eine horizontale (ya) Achse verdrehbar ist. daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

1 y _ yd ι - T^a)

IT_x = T_x"¹ t T_x'²'

eingerichtet ist. wobei

₍₁₎
H

W> und /W²> die gespeicherten bzw. die nach der 180°-Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind,

A/,1'1 und /V/,1²' die gespeicherten bzw. die nach der l80°-Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und

H der Drehimpuls des Kreisels ist, und

-'<> daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur BiI-dung eines Signals

= arc tan

\-y

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

Nach der 180°-Drehung um die yc-Achse werden folgende Signale an den Drehmomenterzeugern gemes-

Vf '^'

—ff-

ν,-'Λ- + V--'4 - "'ο,. - qa_x - nii_yu_: -^ Ω_:Ω, + B,

"λ - ί/ «ν + fl <l_v Ο-

j
^

= V = ^üx + ^Λΐ- ^v + *xy ^{J- + '" "λ ί/ «ν + fl <l_v Ο- + ^

η π

Durch Bildung der Differenz bzw. der Summe der beiden beiden Winkelstellungen erhaltenen Signale erhält man I T_y = 7V" - 7;'²¹ = - 2ü_x + 2_Vrß_r + 2ma_x (9)

IT_x = T_x ^tu + T₁ ¹²¹ = 2Ω, - 2m a_y + 2B_y (10)

Es ergibt sich also, daß bei der Bestimmung der Nordabweichung ψ der größte Teil der störenden Meßeffekte ausgeschaltet werden kann, wenn in Gleichung (4)

K_T U

ersetzt wird durch

I
- — \ T_y

1
ersetzt wird durch y i' T_x

₅₀ ehern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist, daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

DT_x = T_x'¹ · - T_x ⁰¹

₅₅

Bei einem Gerät, bei welchem das Gehäuse des Kreisels durch einen Stellmechanismus um 90° um eine der Eingangsachsen des Kreisels verdrehbar ist, so daß der Kreisel als Kursreferenzgerät verwendbar ist, kann der gleiche Stellmechanismus zur wahlweisen Verdrehung des Gehäuses des Keisels um 180° eingerichtet sein. Dadurch erfordert die 180°-Verdrehbarkeit des Gehäuses nur einen geringen zusätzlichen Aufwand. Eine andere Lösung, die insbesondere in den Fällen anwendbar ist, wo die feste Kreiseldrift (By) den dominierenden Störeinfluß bringt, besteht darin, daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Spei- DT_y

= T_y ⁰⁾ - T_y ^a>

eingerichtet ist, wobei

Tr ⁼

Λ/ ^li) h - _H

A/,"> und M₁I³' die gespeicherten bzw. die nach der !80°-Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind.

A/yl'l und M/" die gespeicherten bzw. die nach der 180° -Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und

H der Drehimpuls des Kreisels ist, und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals

ψ = arc tan

- DT.

•Is Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

Schließlich ist es auch möglich, daß der Nordabwei-•hungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist, daß der Nordabweichungsrechner •inen Speicher zum Speichern der beiden dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser letzteren Signale und Rückdrehen in die Ausgangsstellung durch •inen Stellmechanismus um 180° um eine horizontale Eingangsachse eingerichtet ist, daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

\· τ — τ ο toi

~ ¹Xt — ¹X ¹X

ι ψ _ T-(I > _ -T-C) ' 'y ~ 'y 'y

•ingerichtet ist, wobei

Tfil das Signal ist, welches nach Verschwenken des Kreisels um die besagte eine Eingangsachse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die andere Eingangsachse wirkt,

7V³' das Signal ist, welches nach dem Verschwenken des Kreisels um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte andere Eingangsachse wirkt,

7y> das Signal ist welches vor dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eingangsachse wirkt und

7}ß) das Signal ist, welches nach dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eingangsachse wirkt und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals

Ψι

= arc tan

-.171

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines Kreisels zur Bestimmung der Nordrichtung;

Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung der verschwenkbaren Halterung des Kreiselgehäuses sowie der Steuerung und Signalverarbeitung;

Fig.3 zeigt die Anordnung des Kreiselgehäuses und der zugehörigen Koordinatenachsen in seiner ersten Stellung für die Bestimmung der Nordrichtung:

Fig.4 zeigt das Kreiselgehäuse in der zweiten um 180° verschwenkten Stellung für die Bestimmung der Nordrichtung;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Signaiverarbeitung;

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine Verdrehung des Kreisels um eine vertikale \chse erfolgt, in der Ausgangsstellung;

F i g. 7 zeigt die Ausführungsform nach F i g. 6 nach der Verdrehung des Kreisels um 180° um die vertikale Achse;

Fig.8 ist eine schematische Darstellung der Signalverarbeitung, ähnlich F i g. 5, für die Ausführungsform nach Fig. 6und 7;

Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung die zugehörige Signalverarbeitung.

In Fig. 1 ist mit 20 das Gehäuse eines Kreisels bezeichnet, dessen Drallachse ζ vertikal angeordnet ist. Der Kreiseldrall ist mit H bezeichnet. Das Gehäuse 20 ist um eine mit * bezeichnete erste Eingangsachse, die zu der Drallachse ζ senkrecht ist, in einem inneren Kardanrahmen 22 gelagert. An dem Kardanrahmen 22 ist ein Abgriff 24 angebracht, welcher auf eine Auslenkung des Gehäuses 20 um die zweite Eingangsachse y anspricht. Auf der gegenüberliegenden Seite ist an dem Kardanrahmen 22 ein Drehmomemerzeuger 26

migcui avu

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist

Durch diese letztere Lösung läßt sich eine sehr weitgehende Kompensation der Störeinflüsse erreichen.

ucil dui Uda wciiauac

Drehmoment um die zweite Eingangsachse y ausübbar ist. Der innere Kardanrahmen 22 ist um die erste Eingangsachse x, die zu der zweiten Eingangsachse y senkrecht steht, in einem äußeren Kardanrahmen 28 gelagert. An dem äußeren Kardanrahmen 28 ist ein Abgriff 30 angebracht, der auf eine Auslenkung des inneren Kardanrahmens 22 gegenüber dem äußeren Kardanrahmen 28 um die erste Eingangsachse χ anspricht. Auf der gegenüberliegenden Seite ist an dem äußeren Kardanrahmen 28 ein Drehmomenterzeuger 32 angebracht, durch den auf den inneren Kardanrahmen 22 ein Drehmoment um die erste Eingangsachse χ ausübbar ist. Die Abgriffe 24 und 30 und die Drehmomenterzeuger 26 und 32 sind überkreuz miteinander verbunden, d.h, der Abgriff 24 auf der Eingangsachse y ist über einen frequenzabhängigen Verstärker 34 auf den Drehmomenterzeuger 32 auf der Eingangsachse χ geschaltet, und der Abgriff 30 auf der Eingangsachse χ ist über einen frequenzabhängigen Verstärker 36 auf den Drehmomenterzeuger 26 auf der Eingangsachse y geschaltet Die Verstärkungsgrade der Verstärker 34 und 36 sind so hoch gewählt daß das Kreiselgehäuse 20 und die Kardanrahmen 22 und 28 praktisch elektrisch an die in F i g. 1 dargestellten relativen Lagen gefesselt sind.
In Fig. 1 ist angenommen, daß die Drallachse //des

Kreisels genau senkrecht steht. Die erste Eingangsachse M des Kreii-els, die als Referenzrichtung dient, bildet mit der geographischen Nordrichtung 38 einen Winkel ψ, der hier als »Nordabweichung« bezeichnet wird und bestimmt werden soll. In die geographische Nordrichtung 38 fällt eine Komponente üjfcos Φ der Erddrehung, wobei Uf die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung und Φ die geographische Breite ist. Von dieser Komponente wird wiederum eine Komponente

U_x = „,f ■ cos '/> cos ψ (II)

an der ersten Eingangsachse .v₀ und eine Komponente

cos Φ sin

(12)

der zweiten Eingangsachse y wirken. Die durch die

Verstärker 34 und 36 verstärkten Abgriffsignale der Abgriffe 24 und 30 erzeugen solche Eingangssignale U_v bzw. U_x für die Drehmomentgeber 26 und 32, daß den durch die Winkelgeschwindigkeitskomponenten Ω, bzw. Qy hervorgerufenen Präzessionsmomenten gerade die Waage gehalten wird. Es gilt daher, bei Vernachlässigung von Störmomenten:

K₁

U_x.

I) υ - -JL

Ty

Uy [Volt] die an dem Drehmomenterzeuger 26 anliegende Spannung.

Ux [Volt] die an dem Drehmomenterzeuger 32 anliegende Spannung,

K_Tf [pcm Volt"¹] die Konstante des Drehmomenterzeugers 26 und

K_Tx [p cm Volt"¹] die Konstante des Drehmomenterzeugers 32

ist. Aus diesen beiden Spannungen U_x und Uy kann daher bei bekannten Konstanten der Drehmomenterzeuger die Nordabweichung ψ bestimmt werden:

; Φ sin ψ

K_Tx ■ rn_E COS Φ COS

tan ψ

woraus die oben angegebene Gleichung (4) folgt.

Der Winkel ψ ist, wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, der Winkel zwischen der gerätefesten Achse χ und der Nordrichtung 38.

ίι'ι Γ ι g. 2 iai Ulli 40 üic Ki cisciciiiiicH bezeichnet,

welche den Kreisel und die Kardanrahmen ähnlich F i g. 1 enthält Die Drallachse ζ des Kreisels 20 ist im wesentlichen vertikal. Die beiden Eingangsachsen des Kreisels 20 sind mit χ und y bezeichnet. Die Abgriffsignale der (nicht dargestellten) Abgriffe sind, wie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben, über die Verstärker 34 und 36 überkreuz auf die (nicht dargestellten) Drehmomenterzeuger geschaltet. Mit 42 ist ein fahrzeugfestes Gerätegehäuse bezeichnet. In dem Gerätegehäuse sind Koordinatenachsen xq und yo definiert, die bei der Betriebsweise von Fig.2 im Idealfall parallel zu den Eingangsachsen χ bzw. y des Kreisels 20 liegen.

Die Kreiseleinheit 4ö ist durch einen Stellmotor 44 um eine zu der Koordinatenachse y_G parallele Achse 46 verschwenkbar. Auf dieser Achse 46 sitzt auch ein Winkelgeber 48. Das Ausgangssignal des Winkelgebers 48 ist über einen Umschalter 50 und ein Nachlauf-Steuersystem 52 auf den Stellmotor 44 aufschaltbar. Der Stellmotor 44 wird in der in Fig.2 dargestellten »0° «-Stellung des Umschalters 50 so gesteuert, daß die Kreiseleinheit 40 in die in F i g. 2 und 3 dargestellte Lage geschwenkt und dort arretiert wird. In dieser Lage sind die Koordinatenachsen x, y, ζ des der Kreiseleinheit zugeordneten Koordinatensystems parallel zu den Koordinatenachsen xo, ya -zg des Koordinatensystems.

das dem Gerätegehäuse 42 zugeordnet ist. In der gestrichelt dargestellten »130°«-Stellung des Umschalters 50 wird die Kreiseleinheit 40 durch den Stellmotor 44 um 18C^J in die in Fig.4 dargestellte Lage vcfschwcnki. In dieser Lage isi die rCuordmaienacnse £ nach oben gerichtet, also antiparallel zu der Ke.--dinatenachse ze des auf das Gerätegehäuse 42 bezogenen Koordinatensystems. Die Koordinatenachse χ ist nach vorn in Fig.4 gerichtet, also ebenfalls antiparallel zu der Koordinatenachse xc des auf das Gerätegehäuse 42 bezogenen Koordinatensystems.

In der »90°«-Stellung des Umschalters 50 wird die Kreiseleinheit um 90° verschwenkt und ist dann, wie im Hauptpatent beschrieben, als Kurs-Referenzgerät oder Kurs-Lage-Referenzgerät verwendbar. Es kann der gleiche Winkelgeber 48 und Stellmotor 44, der bei der Anordnung nach dem Hauptpatent für diese letztere Umschaltung benutzt wird, auch für die 180°-Verschwenkung ausgenutzt werden.

Die Ausgangssignale U_x und U_y der Verstärker 34 bzw. 36 sind außerdem auf einen Nordabweichungsrechner 56 geschaltet. Der Nordabweichungsrechner ist in F i g. 5 vereinfacht und schematisch dargesteÜL

In der in Fig.2 und 3 dargestellten Lage der der Kreiseleinheit 40 werden die dabei erhaltenen Ausgangssignale U_x und Uy oder die dazu proportionalen Signale T_xW und 7^') in einem Speicher 58 gespeichert. Nach einer !80°-Verschwenkung der Kreiseleinheit 40 in die in F i g. 4 dargestellte Lage liegen die Signale T_xI²) und 7y²' an. Es werden in den Differenz- und Summierpunkten 60 bzw. 62 die Differenz Δ T_v und die

Summe Σ Τ, gemäß Gleichungen (9) und (10) gebildet Ein Quotientenbildner 64 bildet den Quotienten

Γ 71

der, wie oben geschildert tan φ entspricht Ein Arcustagens-Funktionsgenerator 66 liefert daraus den Winkel ψ.

In der Praxis wird der Nordabweichungsrechner 56 als Digitalrechner ausgebildet sein.

Die beschriebene Anordnung kann auch in Verbindung mit den anderen im Hauptpatent beschriebenen Maßnahmen zur Berücksichtigung der Fahrzeuglage angewandt werden.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 und 7 ist die Kxeiseleinheit 70 in dem fahrzeugfesten Gerätegehäuse 72 um eine vertikale, mit der Kreiseldrallachse ζ zusammenfallende Achse verschwenkbar gelagert Die Winkellage der Kreiseleinheit 70 um die Achse ζ wird mittels "ines Winkelgebers 74 abgegriffen. Das Ausgangssignal des Winkelgebers 74 ist über einen Umschalter 76 auf ein Nachlauf-Steuersystem 78 geschaltet Durch das Nachlauf-Steuersystem 78 wird ein Stellmotor 80. der um die Achse ζ wirkt gesteuert Durch den Stellmotor 80 wird die Kreiseleinheit 70 je

M_x

'¹¹

nach der Stellung des Umschalters 76 in vorgegebene feste Stellungen relativ zu dem Gerätegehäuse 7\ eingedreht In der in F i g. 6 dargestellten »Grundstel lung« verläuft die erste Eingangsachse χ des Kreisel! nach hinten in der Figur und die zweite Eingangsachse j nach rechts. Die andere Stellung der Kreiseleinheit 70 die nach einer 180° -Verdrehung um die A.chse zerreich wird, ist in F i g. 7 dargestellt In dieser Stellung ist die erste Eingangsachse χ des Kreisels nach vorn in dei

ι ο Figur und die zweite Eingangsachse nach links gerichtet Wie bei dem anderen Ausführungsbeispiel enthält die Kreiseleinheit 70 eine Kreiselanordnung nach Art voi F i g. I, und entsprechende Teile sind in F i g. 6 und 7 rar den gleichen Bezugszeichen versehen wie dort

Die Stützmomente, die auf den Kreisel durch den im die Ar-Achse wirkenden Drehmomenterzeuger infolge der Signale von den Abgriff auf der y-Achse ausgeüb werden, sind in der Grundstellung von F i g. 6 mit MJ) bezeichnet Die Stützmomente, die auf den Kreise durch die um die y-Achse wirkenden Drehmomenter zeuger infolge der Signale von dem Abgriff auf de: x-Achse ausgeübt werden, sind in der Grundstellung voi Fig.6 mit Mp bezeichnet In der gegen diese Grundstellung um 180° verdrehten Stellung sind die entsprechenden Stützmomente MJM bzw. Mp\ Die Abgriffe und Drehmomenterzeuger liefern Signale

MO) x__

Die Signale T,'¹' und T,^a) ergeben sich aus Gleichung (5) und (6). Die nach der 180°-Verdrehung erhaltener Signale sind

T₁ ⁰' = - Q, + x,_xQ_z + *_nQ_x + ma,- qa_x- ηα,α, -

C-A H

Q₁Q, + B,

C-A

- Τ,^β> = -Q_x- χ^Ω, - x_x,Q₂ + rna, + qa, - na_xa₂ - Q₂Q_x + B_x

Die Differenzen der Signale bei der Grundstellung von F i g. 6 und bei der um 180° verdrehten Stellung von F i g. 7 werden

DT_x = T_x'¹' - T_x ⁰' = l(ü, - x_n Q_x - ma, + qa, + ηα,α, + Q₂ ß,)

DT, = T,⁰' - T,'^u = -2 ^Q_x

C-A

Es zeigt sich, daß in diesen Signalen die unkompensierten Kreiseldriften /?, und (1_r nicht enthalten sind. Diese umkompensierten Kreiscldriften sind aber bei vielen Kreiseln die wesentlichen Fehlerursachen, die stärker ins Gewicht fallen als alle anderen Fehlerursachen zusammen. Bei solchen Kreiseln ist die Anordnung nach F i g. 6 und 7 der Anordnung nach F i g. 3 und 4 vorzuziehen, für die ja die Gleichungen (9) und (10) gelten.

Der zu den Anordnungen nach Fig.6 und 7 gehörende Nordabweichungsrechner ist in F ί g. 8 dargestellt.

Der Nordabweichungsrechner 82 enthält einen Speicher 84. auf welchen in der Grundstellung von F i g. 6 die von den Drehmomenterzeugern gelieferten Signale 7V'> und 7y> gespeichert werden. Nach der 180°-Verdrehung werden auf den Nordabweichungsrechner 82 die Signale 7V³' und 7^³> geschaltet. Diese Q₁

Signale werden an Surnmationsstellen 86 bzw. 88 dei gespeicherten Signalen TfV bzw. Tp mit entgegenge setzter Polarität überlagert, so daß die Signale DT, un< DT, gebildet werden. Dividiermittel 90 bilden dei Quotienten

DT_x - DT₁

Dieser Quotient wird auf einen Arcustangens-Funk tionsgeber 92 gegeben, welcher den Nordabweichungs winkel

= arc tan

DT_x -Df.

liefert. DT, und PT, enthalten die Nutzsignale Q_f bzw -Ω» und die verschiedenen Sensorfehler. Abgesehei

von diesen Sensorfehlern stimmt Gleichung (20) mit Gleichung (4) überein. Die Kreiseldriften B₁ und B_y sind jedoch eliminiert

Eine weitere Ausgestaltung, bei welcher eine Kreiseleinheit 94 aus der Grundstellung entsprechend F i g. 6 sowohl um eine vertikale Achse, die in der Grundstellung mit der Kreiseldrallachse ζ zusammenfällt, als auch um eine horizontale Achse, die mit der zweiten Eingangsachse ß'-Achse) zusammenfällt, um jeweils 180° verschwenkbar ist, ist in Fig.9 und 10 dargestellt

Die Kreiseleinheit 94 ist um eine mit der zweiten Eingangsachse (^Achse) des Kreisels zusammenfallende horizontale Achse drehbar in einem Zwischengehäuse 96 gelagert Ein Winkelgeber 98 sitzt auf dieser horizontalen Achse und liefert ein Signal nach Maßgabe der Winkellage der Kreiseleinheit 94 relativ zu dem Zwischengehäuse 96. Dieses Signal wird über einen Umschalter 100 auf ein Nachlauf-Steuersystem 102 gegeben. Von diesem Nachlauf-Steuersystem 102 ist ein Stellmotor 104 gesteuert welcher die Kreiseleinheit 94 je nach der Stellung des Umschalters 100 in die dargestellte Grundstellung oder in eine dazu um 180° um die horizontale Achse verdrehte Lage (identisch F i g. 4) eindreht

Das Zwischengehäuse 96 ist seinerseits mit einer Welle 106 um eine vertikale, in der dargestellten Grundstellung mit der Kreiseldrallachse ζ zusammenfallende Achse gegenüber einem fahrzeugfesten Gerätegehäuse 108 verdrehbar gelagert Auf der Welle 106 sitzt ein Winkelgeber 110 und ein Stellmotor 112. Der Winkelgeber 110 liefert ein Signal nach Maßgabe der Winkellage des Zwischengehäuses 96 relativ zu dem fahrzeugfesten Gerätegehäuse 108. Dieses Signal ist über einen Umschalter 114 auf ein Nachlauf-Steuersystem 116 geschaltet Der Stellmotor 112 ist von dem Nachlauf-Steuersystem 116 so gesteuert, daß er das Zwischengehäuse % je nach der Stellung des Umschalters 114 in die dargestellte Grundstellung oder in eine dazu um 180° um die vertikale Achse verdrehte Lage eindreht In dieser letzteren Lage ist die Orientierung der Kreiseleinheit identisch wie in F i g. 7. Der Nordabweichungsrechner 118 in Fig. 10 enthält einen ersten Speicher 120, einen zweiten Speicher 122 und einen dritten Speicher 124. In dem ersten Speicher 120 werden in der Grundstellung von Fig.9 zunächst die Signale 7^0 und 7yo der Drehmomenterzeuger gespeichert wie sie sich nach Gleichung (5) und (6) ergeben. (Der tiefgestellte Index »1« weist auf die erste Messung dieser Signale hin.) Danach wird das Zwischengehäuse 96 mittels des Stellmotors 112 um

ίο 180° um die vertikale Achse verdreht Die dann erhaltenen Signale 7y³' und 7JI³) an den Drehmomenterzeugern werden in dem Speicher 124 gespeichert Das Zwischengehäuse 96 wird wieder in die Grundstellung zurückgedreht Die Signale T₁₂"' und 7>2<" der Drehmomenterzeuger in dieser Grundstellung werden erneut abgegriffen und in dem Speicher 122 ^-ypeichert. Danach wird die Kreiseleinheit 94 durch den Stellmotor 104 um die waagerechte Achse um 180° verdreht Die in dieser Stellung von den Drehmomenterzeugern erhaltenen Signale TP> und TJV entsprechend Gleichung (7) und (8) werden ebenfalls dem Nordabweichungsrechner 118 zugeführt wie bei 126,128 angedeutet ist

Ein Mittelwertbildner 130 bildet aus den in den Speichern 120 und 122 gespeicherten Signalen die

25 Mittelwerte - ' (Γ ■■

30 und V^u = ~

An einer Summationsstelle 132 wird die Differenz I T, = f;" - Τ_τ ^ΰι (23)

gebildet (siehe auch Gleichung (9)). An eine weiteren Summationsstelle 134 erfolgt die Bildung der Differenz

IT_x. = T₁'¹' - T_x'³' = 2(U, - m ■ a_y - U₁)

Die beiden Differenzsignale AT, und ΣΤ_Κ werden Divisionsmitteln 136 zugeführt, welche den Quotienten

17",

bilden. Dieser Quotient beaufschlagt einen Arcustangens-Funktionsgeber 138, welcher das Nordabweichungssignal

Kreiseldriften im wesentlichen proportional sind. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist folgende: Aus den Gleichungen (5) und (16) folf«:

ST_x = τ;" + r;" = 2(*_Mii, + ß,) (28)

und

= arc tan

(25)

bildet.

Es kann zu Selbstprüf/wecken an einer Summationsstelle 140 die Summe

ST₁ = TV" + TV" (26)

und an einer Siimmiilionsstcllc 142 die Summe

sy; = - er;" +· r;·") (27)

gebildet werden, welche, wie sich /eigen läßt, den

?T — τ"' toi — Ti M-LHi

W (29)

Bei vernachlässigbaren Verdrehungen <x_nbzw.<x_ir der Kreiseleingangsachsen gegen die Gehäuseachsen, was durch entsprechende Präzision der Fertigung erreichbar mi ist, gilt mit guter Näherung:

2ß_x - ST_y

wobei B_x und /^.Schätzwerte für ß,bzw. dasind. Es kann daher der Ausdruck ΣΤ, aus Gleichung (10), der in die Gleichung für die Nordabweichung eingeht, hinsichtlich

17 18

der Kreiseldrift B, nach Bestimmung von ST, korrigiert Weiterhin ist, wie oben schon angegeben,

werden. Der so korrigierte Ausdruck Σ T,_c ergibt sich zu ₍y _ .pn _ γα _ _ 2ü_x + 2%_x ü. + 2mo,

⁽⁹' ^iT« ⁼ i'Tx - 2ß_y = T₁ '+ T/¹ - 2B₁, (32) _{5 unabhäng}j_{g von} ß_r Bei Vernachlässigung der Stör-

terme ist
und, wenn man 2B, aus Gleichung (30) einsetzt: ,._x _n

^ 4

'7„ = T/¹ + T/¹ - T₁'¹¹ - T/¹ = T/¹ - T₁ ⁰¹ ₁₀ wobei dieser Ausdruck hinsichtlich der Kreiseldriften ß,

.,,. und By kompensiert ist.

¹ ' Die Umschaltung 50, 76, 100 und 114 und die

Aus den Gleichungen (7) und (16, ergibt sich dann: Aufschaltung d-^J^ -£ verschiedenen

13 Reihenfolge von einer (nicht dargestellten) Programm- ΣΤ^ = 2Qy - 2m a_y - 2x_JX ■ Ω_ζ (34) Steuereinheit gesteuert

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels,

bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist, bei welchem die Lage des Kreisels durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmo- ι ο menterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind, durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird, bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind, bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachte an die Vertikale überkreuz auf den Drehmoment- erzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist und

t>ei welchem schließlich die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungsrechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefert dadurch gekennzeichnet, daß der Nordabweichungsrechner (56) einen Speieher (58) zi ι Speichern der beiden den Drehmo-■tenterzeugern (26, 32) zugeführten Signale Tfi\ Γ^·) enthält,

daß der Kreisel (40) nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus (44, 48) um 180° um eine horizontale Achse (46) verdrehbar ist, daß die dann den Drehmomenterzeugern (26, 32) tugeführten Signale Tp>, T_xW auf den Nordabweiehungsrechner (56) geschaltet sind, daß der Nordabweichungsrechner (56) zur Bildung Von Signalen

ι τ = T"¹ - T^m

^{1 1}J- 'y ¹T

IT_x = T"¹ + eingerichtet ist, wobei

M(Il I ■·> - _ »

τ-αι ₌ _Mj1
'■> u

7MII = '

7M» ₌

M_x'^u

50

55

60

M_xW die gespeicherten bzw. die nach der 180°-Drehung auf den Drehmomenterzeuger gegebenen Signals sind, der um die eine Achse wirkt.

Mjß> die gespeicherten bzw. die nach der J80"-Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und der Drehimpuls des Kreisels ist, und

daß der Nordabweichungsrechner (56) weiterhin zur Bildung eines Signals

= arc tan

-IT,

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist

2. Gerät nach Anspruch 1, bei welchem das Gehäuse des Kreisels durch einen Stellmechanismus um 90° um eine der Eingangsachsen des Kreisels verdrehbar ist, so daß der Kreisel als Kursreferenzgerät verwendbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der gleiche Stellmechanismus (44, 48) zur wahlweisen Verdrehung des Gehäuses (40) des Kreisels (20) um 180° eingerichtet ist

3. Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels,

bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist bei welchem die Lage des Kreisels durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmomenterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind, durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird, bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind, bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels ν rt seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist und

bei welchem schließlich die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungsrechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefert, nach Patentanmeldung P 27 41 274.4-52, dadurch gekennzeichnet

daß der Nordabweichungsrechner (82) einen Speicher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale (TP\ 7V')) durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist, daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale (TP), Tp) auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind.

daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

DT_x =

DT, =

- T_x ^m

- Γ/¹

eingerichtet ist, wobei

MJ-V und MJ& die gespeicherten bzw. die nach der 180°-Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind,

MJ*) und MJi³) die gespeicherten bzw. die nach der 180°-Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und

H der Drehimpuls des Kreisels ist, und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals

Ψ = arc tan

DT₁ -DT,

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

4. Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels,

bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist,
bei welciem die Lage des Kreisels durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmomenterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind, durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird,
bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind,
bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des. Kreisels mit seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuge.' der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist und

bei welchem schließlich die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungsrechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefer*,
nach Patent P 27 41 274.4-52,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale (Tp), Tp enthält,
daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale (TjO), 7^')) durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreis ;'drallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist.

daß der Nordabweichungsrecbner einen Speicher zum Spsichern der beiden dann den Drehmomenter zeugern zugeführten Signale (TJd, TJ³*) enthält,
daß der Kreisel nach dem Speichern dieser letzteren Signale (TP\ TJ³)) zum Rückdrehen in die Ausgangsstellung durch einen Stellmechanismus um 180° um eine horizontale Eingangsachse (y) eingerichtet ist,

daß die dann den Drehmomenterzeuger!! zugeführten Signale (Tfi), Tp)) auf den Nordabweichujigsrechner geschaltet sind,

daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

\· τ _ Tßl _ t

— ¹IC ~ 'X ¹I

I Jj, — Iy Jj,

eingerichtet ist, wobei

Ty²) das Signal ist, weiches nach V err :hwenken des Kreisels um die besagte eine Eingangsachse y dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die andere Eingangsachse wirkt,

T/³) das Signal ist, welches nach dem Verschwenken des Kreisels um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte andere Eingangsachse wirkt,

TJ') das Signal ist, welches in der Grundstellung vor dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eingangsachse wirkt und

TJi²) das Signal ist, welches nach dem Verschwenken um die horizontale Achse (y) dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eingangsachse wirkt, und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals

Ψι = arc tan ~fjr

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

ST_x = TV" + T_x ⁰'

-(JI

eingerichtet ist, die den Komponenten der Kreiseldrift entsprechen, wobei

T_xV) das Signal ist, welches in der Grundstellung vor dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte andere Eingangsachse wirkt, und

Tp) das Signal isi, welches nach dem Verschwenken um die vertikale Achse dem Drehmomenterzeuger zugeführt wird, der auf die besagte eine Eineanesachse wirkt.

6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch wobei gekennzeichnet,

daß der Nordabweichungsrechner einen weiteren Speicher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern nach dem Rückrirehen des Kreisels um die vertikale Achse in die Ausgangsstellung zugeführten Signale (T,p\ T^₂"') enthält und
daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung der Mittelwerte

M_x das Drehmoment ist, das an dem um die x-Achse wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt,

My das Drehmoment, das an dem um die _y-Achse wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt, und
der Drehimpuls des Kreisels ist.