DE2927037A1 - Mechanisch-optronischer winkelkomparator zur bestimmung der relativen winkelstellung einer waffe zur visierlinie an einem kampffahrzeug - Google Patents

Description

Akte 79-10/20-05

Firma Weqmann & Co., Wolfhaqer Str. 75/77, 3500 Kassel

Mechanisch-optronischer Winkelkomparator zur Bestimmung der relativen Winkelstellung einer Waffe zur Visierlinie an einem Kampffahrzeug.

Die Erfindung betrifft einen mechanisch optronischen Winkelkomparator zur Bestimmung der relativen Winkelstellung einer Waffe zur Visierlinie an einem Kampffahrzeug. Die Bestimmung dieser Winkelstellung mit hoher Genauigkeit ist insbesondere dann von Wichtigkeit, wenn, wie dies bei modernen Kampfpanzern der Fall ist, die Visierlinie primärstabilisiert ist und die Waffe der Visierlinie nachgeführt wird, also keine direkte mechanische Kopplung zwischen der Stellung der Drehachse des Ausblickspiegels des Visiers und der Stellung der Waffe vorhanden ist.

Es ist bekannt, die WinkelStellungen von Waffe und Visier in Kampffahrzeugen auf rein mechanischem Wege, beispielsweise durch Gestänge, aufzunehmen und zu vergleichen, wobei zur Steuerung der ballistischen Aufsatzwinkel entsprechende Kurvenscheiben zwischen den Gestängen angeordnet sind.

Es ist in modernen Kampffahrzeugen weiterhin bekannt, die WinkelStellungen von Waffe und Visier durch elektrische Drehmelder aufzunehmen, zu vergleichen und die Aufsatzwinkel analog zu addieren. Die zugeordneten elektronischen Rechner arbeiten im allgemeinen analog. Es ist aber auch schon bekannt geworden, die analogen Signale der Drehmelder zur digitalen Verarbeitung in Rechnern umzuformen.

Die Nachteile der oben erwähnten rein mechanisch arbeitenden Vorrichtungen bestehen darin, daß durch Verschleiß und thermische Verspannungen Ungenauigkeiten entstehen, die die

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Treffsicherheit negativ beeinflussen. Insbesondere beim Feuerkampf aus schneller Fahrt neigen die rein mechanischen Systeme zu Schwingungen, die ein Zielen erschweren oder gar unmöglich machen.

Bei den erwähnten elektronischen Vorrichtungen mit Drehmeldern treten zwar die Schwingungen und die Verschleißprobleme nicht in diesem Maße auf, aber die analoge Signalverarbeitung macht in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten, weil die den Winkeldifferenzen zugeordneten Spannungsunterschiede im Mikrovoltbereich liegen. Außerdem müssen die Drehmelder an der Drehachse der Waffe angebracht werden, die erheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist. Gleichzeitig ist dieser Anbauort schwer zugänglich.

Auch meßtechnisch sind die bekannten Vorrichtungen unbefriedigend, da bei ihnen jeweils die absolute Winkelstellung der Waffe und nicht die relative Winkelstellung der Waffe zur Visierlinie vermessen wird. Für die Nutzung des Waffensystems ist aber nur die relative Winkeldifferenz zwischen Waffe und Visier von Wichtigkeit. Die bei den bekannten Vorrichtungen deshalb notwendige Bildung des Differenzwinkels führt zu weiteren Fehlerquellen.

Durch die bei den Feuerleitanlagen notwendigen Kabelverbindungen, durch Umwelteinflüsse und sonstige Störfaktoren, treten zusätzliche Ungenauigkeiten auf, die sich oft noch aufaddäaren.

Weiterhin sind die bekannten Systeme aufwendig und anfällig gegen elektromagnetische acörfelder. Es ist. vorstellbar, daß ein Gegner diese Systemschwäche von Feuerleitanlagen durch Einsatz spezieller Richtfunkwaffen ausnutzen könnte.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch optronischen Winkelkomparator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem die oben erwähnten Nachteile vermieden werden und bei dem insbesondere direkt die relative Winkelstellung zwischen Waffe und Visier vermessen wird und die Möglichkeit eröffnet wird, durch digitale Aufnahme der Meßwerte eine sichere Signalverarbeitung zu gewährleisten. Ferner kam es darauf an, bei mindestens gleicher Genauigkeit der Messungen, wie bei bekannten Vorrichtungen, ein System mit wesentlich geringerem Aufwand zu realisieren, um damit den Bedürfnissen der militärischen Praxis besser gerecht zu werden.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Winkelkomparator wird also zunächst auf mechanischem Wege die Winkelstellung der Waffe mechanisch in die unmittelbare Nähe des Ausblickspiegels übertragen, und zwar so, daß sich der Differenzwinkel zwischen Waffe und Ausblickspiegel direkt bestimmen läßt. Das vom Umlenkspiegel refldstierte Lichtbündel erfährt bei jeder Drehung um die Drehachse eine Auslenkung, die dem doppelten Drehwinkel entspricht. Die doppelte Drehwinkeländerung entspricht aber gerade auch der jeweils entsprechenden Visierlinienverstellung. Das reflektierte Lichtbündel repräsentiert damit die Stellung

-en der Visierlinie. Mittels des SensoiTfeldes, auf das das reflektierte Lichtbündel auftrifft, kann die Lage des Auftreffpunktes und damit die Winkelstellung des reflektierten Lichtbündels genau vermessen werden. Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Winkelkomparators sind möglich und Gegenstand der Unteransprüche.

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So ist es zweckmäßig, im Lichtprojektor als Lichtquelle eine Halbleiterlaserdiode zu verwenden, sowie ein hochauflösendes Sensorenfeld, dessen Oberfläche in der Bildebene der Projektionsoptik des Lichtprojektors angeordnet wird.

Als Sensorenfeld kann grundsätzlich ein positionsempfindlicher Lichtdetektor dienen.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Sensorenfeld ein an sich bekanntes Photodioden-Array enthält, bei dem die Photodioden in einer Reihe in vorgegebenen Abständen angeordnet sind. Derartige Arrays mit hoher Auflösung haben eine Einzelelementgröße herab bis zu einigen Mikrometern. Die Arrays sind im allgemeinen in CCPD-Technik ausgeführt, wodurch eine digitale Aufnahme der Meßwerte ermöglicht wird.

Bei größeren Winkelbereichen ist die Verwendung von Encoderscheiben (linear) mit Photodioden spezieller Bauart von Vorteil.

Weiterhin kann es zur Erfassung größerer Winkelbereiche vorteilhaft sein, wenn mit mehreren Lichtprojektoren gearbeitet wird, deren optische Achsen in vorgegebenen festen Winkelabständen zueinanderstehen, wobei ein Signal zur Unterscheidung der verschiedenen Lichtprojektoren von einem groben Winkelsensor, beispielsweise einem Drehpotentiometer, abgegeben werden kann. Es können aber auch mehrere Sensorenfelder verwendet werden, wobei jedem Sensorenfeld ein Lichtprojektor zugeordnet ist.

Die elektronische Auswerteeinheit kann ein an die Photodioden des Sensorenfeldes angeschlossenes Schieberegister enthalten, wobei der Inhalt des Schieberegisters zyklisch ausgelesen und ausgewertet wird. In der elektronischen

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Auswerteeinrichtung können dann die Meßwerte, die die Lage eines Lichtpunktes auf dem Sensorenfeld angeben, in einem Register gespeichert und in geeigneter Weise gemittelt werden. Dabei kann ein Sollv/ert für die relative Winkelstellung zwischen der Waffe und der Visierlinie vorgegeben werden und die elektrische Auswerteeinrichtung mit einer Regelvorrichtung zur Nachführung der Waffe in Abhängigkeit von der Lage und Bewegung der Visierlinie verbunden sein.

Auch ist es möglich, an der Waffe Stellglieder vorzusehen zur Einstellung einer vorgegebenen Winkeldifferenz zwischen der Waffenstellung und der optischen Achse des Ausblickspiegels, wobei die Stellung der Waffe solange verändert werden kann, bis das vom Lichtprojektor ausgehende Lichtbündel auf einen vorgegebenen lichtempfindlichen Bereich des Sensorenfeldes fällt und damit ein bestimmter Aufsatzwinkel eingestellt ist.

Schließlich kann durch die Auswertevorrichtung auch das Freigabesignal für das Schußsignal gesteuert werden.

Zusammengefaßt ergeben sich bei Anwendung des erfindungs-

-ors
gemäßen Winkelkomparat/ folgende Vorteile:

Hohe Meßgenauigkeit bei einfacher technischer Ausführung;

Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse und Schnittstellenprobleme aufgrund digitaler Meßwertaufnahme;

hohe elektromagnetische Verträglichkeit durch optronische Meßwertaufnahme;

einfache Anpassung an digitale Signalverarbeitung;

einfache Justierung durch Verschiebung des Sensorenfeldes;

gleichzeitige Verwendung des Sensorenfeldes als Winkelaufnehmer und Sollwertgeber und damit Einsparung weiterer Verknüpfungselemente.

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Der Aufsatzwinkel ist bei Kampffahrzeugen relativ klein gegenüber dem vertikalen Schwenkbereich der Waffe. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht nun darin, daß das hochauflösende Sensorenfeld, dessen Länge und Abstand von der Drehachse gerade so gewählt wird, daß der größte Aufsatzwinkel immer noch im Meßbereich liegt und bei beliebiger Stellung der Visierlinie immer nur der Differenzwinkel zwischen Visierlinie und Waffe gemessen wird und bei Verwendung eines speziellen Photodioden-Arrays. für das Sensorenfeld dieser Meßwert digital vorliegt und digital weiter verarbeitet werden kann. Dadurch wird für den gesamten Schwenkbereich der Waffe bzw. der Visierlinie eine gleichbleibende hochgenaue Einstellung der Waffe zur Visierlinie ermöglicht.

Im folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel für einen Winkelkomparator nach der Erfindung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt in schematischer perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines Winkelkomparators.

Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild die Verbindung des Winkelkomparators nach Fig. 1 mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung.

In Fig. 1 ist eine Kanone 1 dargestellt, die um eine Drehachse 2 schwenkbar ist und an einem nicht dargestellten Kampffahrzeug angeordnet sein kann. An der Kanone 1 ist ein Umlenkhebel 3 angeordnet, der über eine Übertragungsstange 5 mit einem als Aufnahmehebel 4 ausgebildeten Zwischenstück verbunden ist. Der Aufnahmehebel 4 ist um eine Drehachse 7 schwenkbar, die gleichzeitig die Drehachse des Ausblickspiegels 9 am Visier des Kampffahrzeuges ist. Um die Drehachse 7 sind also unabhängig voneinander sowohl der Aufnahmehebel 4 als auch der Ausblickspiegel 9 schwenkbar.

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Die Länge der Übertragungsstange 5 entspricht dem Abstand zwischen der Drehachse 2 der Waffe 1 und der Drehachse 7 des Ausblickspiegels 9. Die Längen der beiden Hebel 3 und sind gleich. Am Aufnahmehebel 4 ist ein Lichtprojektor 6 angeordnet, dessen optische Achse senkrecht zur Drehachse steht. Ein Umlenkspiegel 8 ist mit dem Ausblickspiegel 9 starr verbunden und so angeordnet, daß er zusammen mit dem Ausblickspiegel 9 um die Drehachse 7 schwenkbar ist. Das von dem Lichtprojektor 6 ausgehende Lichtbündel fällt auf die reflektierende Fläche des Umlenkspiegels 8 und wird in Richtung eines am Fahrzeug angeordneten in seiner Längsrichtung justierbaren Sensorenfeldes 10 reflektiert. Das Sensorenfeld 10 befindet sich also in der Ebene, die von der optischen Achse des Lichtprojektors 6 senkrecht zur Drehachse 7 aufgespannt wird.

Das Sensorenfeld 10 enthält ein Photodioden-Array mit einer Vielzahl in einer Reihe angeordneten Photodioden, die in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise an eine elektronische Auswerteeinrichtung angeschlossen sind.

Die Lage des auf die Oberfläche des Sensorenfeldes 10 projizierten Lichtpunktes ist abhängig von der Winkeldifferenz zwischen der Stellung des Umlenkspiegels 8 bzw. des Ausblickspiegels 9 und der Stellung des Lichtprojektors 6 bzw. der Waffe 1. Ein gewünschter Sollwert kann an dem Sensorenfeld 10 eingestellt werden und ist durch einen Pfeil in Fig. 1 markiert.

Die weiteren Vorrichtungen der Gesamteinrichtung sind in Fig. 2 dargestellt. Über den Richtgriff 12 oder eine Stabilisierungseinheit "B wird ein Stellmotor 11 angesteuert, der über die Drehachse 7 auf die Spiegel 8 und einwirkt.

Dadurch wird das vom Lichtprojektor 6 ausgehende Lichtbündel auf einen anderen Punkt des Sensorenfeldes 10 ge-

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lenkt. Die in den Photodioden freigesetzten Elektronen werden in ein analoges Schieberegister 10a übernommen. Von einem Oszillator 17 zyklisch gesteuert, wird das Schieberegister 10a (beispielsweise ein CCD-Schieberegister) ausgelesen. Das analoge Ausgangssignal wird über einen Schwellwertkomparator einem ersten Register zugeführt, in dem gesteuert vom Oszillator 17 und einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Start/Stoppsignals die Lage des Lichtpunktes auf dem Sensorenfeld 10

wird,
festgestellt,/ Die Nummer der beleuchteten Photodiode wird in ein zweites Register 19 eingelesen. In der Vorrichtung 20 wird dann aus den jeweils letzten eingelesenen Nummern ein Mittelwert gebildet. Damit wird der Ist-Lagewert des Lichtpunktes bestimmt und in der Vorrichtung 21 festgehalten. Vom zweiten Register 19 ausgehend werden parallel in der Vorrichtung 22 Differenzen zwischen den Lagewerten gebildet und gespeichert. Aus den jeweils letzten Differenzwerten wird in der Vorrichtung 23 ein Mittelwert gebildet, der ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit des Lichtstrahles um die Drehachse darstellt.

Aus den ballistischen Parametern ergibt sich ein bestimmter Sollwert für den Aufsatzwinkel der Kanone, der in der Vorrichtung 24 in eine bestimmte Lagenummer des Sensorenfeldes übertragen wird. Zwischen diesem Soll-Lagewert und dem Ist-Lagewert wird in der Vorrichtung 25 die Differenz gebildet. Der Wert dieser in 25 gebildeten Differenz,zusammen mit dem in der Vorrichtung 23 festgehaltenen Maß für die Winkelgeschwindigkeit.werden einer Signal-Anpaßelektronik 26 zugeführt und bilden die Grundlage für Ansteuersignale, die der Höhenrichtkrafti.nlage 27 zugeführt werden.

Durch diese wird die Waffe entsprechend verschwenkt und über das mechanische Übertragungsgestänge 3, 4, 5 wird der Lichtprojektor 6 solange in seiner Lage verändert

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bis der gebildete Differenzwert und das Maß für die Winkelgeschwindigkeit innerhalb der geforderten Toleranz liegen. Sind beide Signale hinreichend klein, so ist die Nachführung auf den Sollwert durchgeführt. Sobald in der Vorrichtung 28 die Koinzidenz festgestellt ist, wird an die Vorrichtung 29 ein Signal zur Freigabe des Schußsignales gegeben.

Mit der beschriebenen Einrichtung werden die Stabilisierungsbewegungen des Ausblickspiegels 9 oder die Richtbewegungen unverzüglich auf die Kanone immer derartig übertragen, daß eine gewünschte Winkeldifferenz zwischen Visierlinie und Kanone eingestellt wird. Diese Winkeldifferenz kann unter Berücksichtigung ballistischer Parameter im Feuerleitrechner errechnet werden. Dabei werden alle Einflußgrößen, wie Zielentfernung, Munitionsart, Verkantung, Rohrverschleiß, Pulvertemperatur, Außentemperatur, Luftdruck etc.,verarbeitet, um den korrekten Differenzwinkel zu errechnen. Dieser wird dann in der oben beschriebenen Weise als Sollwert in die Einrichtung eingegeben. Beim Feuerkampf aus der Bewegung nimmt der Rechner den Abfeuerimpuls auf, der Schuß bricht jedoch erst dann, wenn in der ebenfalls oben beschriebenen Weise die Nachführung auf den Sollwert erfolgt ist, also Koinzidenz zwischen Differenzwinkel-Sollwert und Differenzwinkel-Istwert herrscht.

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Claims (1)

1. DR, HEINZ FEDER DR. WOLF-D. FEDER

   PATENTANWÄLTE Düsseldorf

   Akte 79-10/20-05 3. Juli 1979 WF/Wi

   Patentansprüche

   1) Mechanisch-optronischer Winkelkomparator zur Bestimmung der relativen Winkelstellung einer Waffe zur Visierlinie an einem Kampffahrzeug, bei dem das Visier einen um eine zur Drehachse der Waffe parallele Drehachse schwenkbaren Ausblickspiegel aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   1 eine Vorrichtung (3, 5) zur winkelrichtigen mechanischen Übertragung der Winkelstellung der Waffe (1) auf ein drehbares Zwischenstück (4), wobei

   1.1 das Zwischenstück (4) senkrecht zur Drehachse (7) des Ausblickspiegels (9) steht,

   1.2 seine Drehachse mit der Drehachse (7) des Ausblickspiegels (9) zusammenfällt, und

   1.3 seine Drehbarkeit unabhängig von der des Ausblickspiegels (9) ist;

   2 mindestens einen Umlenkspiegel (8), der

   2„1 mit dem Ausblickspiegel (9) fest verbunden ist, 2.2 dessen Reflexionsfläche parallel zur Drehachse (7) verläuft;

   3 mindestens einen Lichtprojektor (6)

   3.1 der am Zwischenstück (4) angeordnet ist,

   3.2 dessen optische Achse senkrecht zur Drehachse (7) des Ausblickspiegels (9) steht,

   3.3 wobei das von ihm ausgehende Lichtbündel die

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   ORIGINAL INSPECTED

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   Reflexionsfläche eines Umlenkspiegels (8) trifft;

   mindestens ein am Fahrzeug angeordnetes optisches Sensorenfeld (10)

   4.1 mit einer Vielzahl von in einer Reihe angeordneten lichtempfindlichen Bereichen,

   4.2 dessen Anordnung so ist, daß innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereiches der Winkelstellungen des Zwischenstückes (4) gegenüber dem Umlenkspiegel (8) immer mindestens ein lichtempfindlicher Bereich des Sensorenfeldes (10) von dem vom Umlenkspiegel (8) reflektierten Lichtbündel getroffen wird;

   eine elektronische Auswerteeinrichtung (10 bis 25), die an das optische Sensorenfeld angeschlossen ist.

   2) Winkelkomparator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur winkelrichtigen, mechanischen Übertragung der Winkelstellung der Waffe mit

   1.4 einem fest an der Waffe (1) angeordneten, um die Drehachse (2) der Waffe (1) schwenkbaren ersten Hebel (3),

   1.5 dem als zweiter Hebel ausgebildeten Zwischenstück (4), wobei die Länge der beiden Hebel (3, 4) gleich ist,

   1.6 einer Übertragungsstange (5),

   1.6.1 deren Länge gleich dem Abstand zwischen der Drehachse (2) der Wafe (1) und der Drehachse (7) des Ausblickspiegels (9) ist und

   1.6.2 deren eines Ende mit dem Ende des ersten Hebels (3) und deren anderes Ende mit dem Ende des zweiten Hebels (4) jeweils drehbar verbunden ist.

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   3) Winkelkomparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   1.7 die Drehachse der Waffe und die Drehachse des Ausblickspiegels zusammenfallen und das Zwischenstück direkt an der Waffe angeordnet ist.

   4) Winkelkomparator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur winkelrichtigen, mechanischen Übertragung der Winkelstellung der Waffe mit

   1.8 einem flexiblen, bowdenzugartigen Übertragungselement zwischen Waffe und Zwischenstück.

   5) Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch

   3.4 eine in jedem Lichtprojektor angeordnete Halbleiterlaserdiode, deren Emissionsstruktur mit Hilfe einer Abbildungsoptik auf die Oberfläche eines Sensorenfeldes abgebildet wird.

   6) Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch

   3.5 mehrere am Zwischenstück angeordnete Lichtprojektoren, deren optische Achsen in vorgegebenen festen Winkelabständen zueinander stehen.

   7) Winkelkomparator nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

   4.3 mehrere am Fahrzeug angeordnete Sensorenfelder, wobei jedem Sensorenfeld ein Lichtprojektor zugeordnet ist.

   8) Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

   4.4 das Sensorenfeld ein Photodioden-Array enthält, bei dem die Photodioden in einer Reihe in vorgegebenen Abständen angeordnet und

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   jeweils an die elektronische Auswerteeinrichtung angeschlossen sind.

   9) Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

   4.5 das Sensorenfeld ein linearer Encoder ist und hinter jeder Spur des Encoders eine Photodiode angeordnet ist, die an die elektronische Auswerteeinrichtung angeschlossen ist.

   10) Winkelkomparator nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet,daß

   5.1 die Photodioden an ein CCD-Schieberegister angeschlossen sind und zyklisch ausgelesen und ausgewertet wird.

   11) Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß

   4.6 das Sensorenfeld zu Justierzwecken mechanisch verschiebbar ist.

   12) Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß

   1.9 an der Waffe (1) Stellglieder zur Einstellung einer vorgegebenen Winkeldifferenz zwischen der Waffenstellung und der optischen Achse des Ausblickspiegels angeordnet sind.

   13) Winkelkomperator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß

   5.2 die elektrische Auswerteeinrichtung (10 bis 25) mit einer Regelvorrichtung (26, 27) zur Nachführung der Waffe (1) in Abhängigkeit von der Lage und Bewegung der Visierlinien verbunden ist.

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