DE2927037C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanisch-optroni­ schen Winkelkomparator zur Bestimmung der relativen Winkelstellung einer Waffe zur Visierlinie an einem Kampffahrzeug mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Bestimmung dieser Winkelstellung mit hoher Genauig­ keit ist insbesondere dann von Wichtigkeit, wenn, wie dies bei modernen Kampfpanzern der Fall ist, die Visier­ linie primärstabilisiert ist und die Waffe der Visierli­ nie nachgeführt wird, also keine direkte mechanische Kopplung zwischen der Stellung der Drehachse des Aus­ blickspiegels 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 ver­ gleichen, wobei zur Steuerung der ballistischen Aufsatz­ winkel entsprechende Kurvenscheiben oder Nocken (CH-PS 4 97 679) zwischen den Gestängen angeordnet sind.

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

Die Nachteile der obenerwähnten rein mechanisch arbei­ tenden Vorrichtungen bestehen darin, daß durch Ver­ schleiß und thermische Verspannungen Ungenauigkeiten entstehen, die die 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 Ver­ schleißprobleme nicht in diesem Maße auf, aber die analoge Signalverarbeitung macht in der Praxis erheb­ liche Schwierigkeiten, weil die den Winkeldifferenzen zugeordneten Spannungsunterschiede im Mikrovoltbereich liegen. Außerdem müssen die Drehmelder an der Drehachse der Waffe angebracht werden, die erheblichen mechani­ schen Belastungen ausgesetzt ist. Gleichzeitig ist dieser Anbauort schwer zugänglich.

Auch meßtechnisch sind die bekannten Vorrichtungen unbefriedigend, da bei ihnen jeweils die absolute Win­ kelstellung der Waffe und nicht die relative Winkel­ stellung der Waffe zur Visierlinie vermessen wird. Für die Nutzung des Waffensystems ist aber nur die relative Winkeldifferenz zwischen Waffe und Visier von Wichtig­ keit. Die bei den bekannten Vorrichtungen deshalb not­ wendige Bildung des Differenzwinkels führt zu weiteren Fehlerquellen.

Durch die bei den Feuerleitanlagen notwendigen Kabelver­ bindungen, durch Umwelteinflüsse und sonstige Störfakto­ ren, treten zusätzliche Ungenauigkeiten auf, die sich oft noch aufaddieren.

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

Ein mechanisch-optronischer Winkelkomparator mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der US-PS 40 20 739 beschrieben. Bei dieser bekannten Einrichtung sind Waffe und Visier miteinander gekoppelt und es ist an der Waffe selbst ein Umlenkspiegel ange­ ordnet. Das von einem Lichtprojektor ausgehende Licht­ bündel tritt aus dem Objektiv des Periskops aus und wird durch einen mit der Waffe gekoppelten Ausblickspiegel auf den Umlenkspiegel geworfen, dort in sich reflektiert und gelangt schließlich nach erneuter Reflexion am Ausblickspiegel durch das Periskop hindurch auf ein Sensorenfeld. Mit der bekannten Einrichtung sollen Fehler zwischen der Achse der Waffe und der Visierlinie bestimmt werden. Eine an das Sensorenfeld angeschlossene Auswerteeinrichtung erzeugt hierfür Korrektursignale, die über Positioniervorrichtungen direkt auf die Strich­ platte des Periskops gegeben werden.

Bei dieser bekannten Einrichtung funktioniert die Feh­ lermessung nur, wenn der Periskopspiegel und der Umlenk­ spiegel in einer Ebene liegen. Der Umlenkspiegel muß dabei direkt an der Waffe angeordnet sein, d. h. außer­ halb des Fahrzeugs und ist dadurch einer ungünstigen Beeinflussung durch Rauch, Dreck und Witterungseinflüsse ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mecha­ nisch-optronischen Winkelkomparator mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubil­ den, daß mit geringem technischem Aufwand ein zuver­ lässiges Nachführen der Waffe gegenüber der Visierlinie ermöglicht wird, wobei die optischen Teile der Einrich­ tung möglichst unbeeinflußbar von Vorgängen außerhalb des Kampffahrzeuges angeordnet sein sollten.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung geht aus von einem System, bei dem die Visierlinie primärstabilisiert ist und die Waffe der Visierlinie nachgeführt wird, bei dem also keine direkte mechanische Kopplung zwischen der Stellung der Drehachse des Ausblickspiegels des Visiers und der Stellung der Waffe vorhanden ist. Ein grundsätz­ licher Unterschied der erfindungsgemäßen Einrichtung gegenüber der oben beschriebenen bekannten Einrichtung besteht also darin, daß bei der bekannten Einrichtung der Winkelkomparator zur Zielkorrektur dient und bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Winkelkomparator zur Nachführung der Waffe dient.

Bei dem erfindungsgemäßen Winkelkomparator wird 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 reflektierte Lichtbündel erfährt bei jeder Drehung um die Drehachse eine Auslen­ kung, die dem doppelten Drehwinkel entspricht. Die doppelte Drehwinkeländerung entspricht aber gerade auch der jeweils entsprechenden Visierlinienverstellung. Das reflektierte Lichtbündel repräsentiert damit die Stellung der Visierlinie. Mittels des Sensorenfeldes, auf das das reflektierte Lichtbündel auftrifft, kann die Lage des Auftreffpunktes und damit die Winkelstellung des reflektierten Lichtbündels genau vermessen werden. Die hierzu notwendigen optischen Wege können sehr kurz­ gehalten werden und das vom Umlenkspiegel reflektierte Lichtbündel repräsentiert die Stellung der Visierlinie.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, im Lichtprojektor als Lichtquelle eine Halbleiterlaserdiode zu verwenden, sowie ein hochauflösendes Sensorenfeld, dessen Ober­ fläche in der Bildebene der Projektionsoptik des Licht­ projektors angeordnet wird.

Als Sensorenfeld kann grundsätzlich ein positionsemp­ findlicher Lichtdetektor dienen.

Besonders vorteilhaft ist es, 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 Lichtprojek­ toren 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 Photo­ dioden des Sensorenfeldes angeschlossenes Schiebere­ gister enthalten, wobei der Inhalt des Schieberegisters zyklisch ausgelesen und ausgewertet wird. In der elek­ tronischen 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 Sollwert für die relative Winkelstellung zwischen der Waffe und der Visierlinie vorgegeben werden und die elektrische Aus­ werteeinrichtung mit einer Regelvorrichtung zur Nach­ führung der Waffe in Abhängigkeit von der Lage und Bewegung der Visierlinie verbunden sein.

Auch ist es möglich, an der Waffe Stellglieder vorzuse­ hen 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 ausge­ hende Lichtbündel auf einen vorgegebenen lichtempfind­ lichen 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 erfin­ dungsgemäßen Winkelkomparators 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 Ein­ sparung weiterer Verknüpfungselemente.

Der Aufsatzwinkel ist bei Kampffahrzeugen relativ klein gegenüber dem vertikalen Schwenkbereich der Waffe. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vor­ richtung besteht nun darin, daß das hochauflösende Sensoren­ feld, 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 gleich­ bleibende hochgenaue Einstellung der Waffe zur Visier­ linie ermöglicht.

Im folgenden wird anhand der 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 elektro­ nischen Auswerteeinrichtung.

In Fig. 1 ist eine Kanone 1 dargestellt, die um eine Dreh­ achse 2 schwenkbar ist und an einem nicht dargestellten Kampffahrzeug angeordnet sein kann. An der Kanone 1 ist ein Umlenkhebel 3 angeordnet, der über eine Übertragungs­ stange 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.

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 4 sind gleich. Am Aufnahmehebel 4 ist ein Lichtprojektor 6 angeordnet, dessen optische Achse senkrecht zur Drehachse 7 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 Winkel­ differenz zwischen der Stellung des Umlenkspiegels 8 bzw. des Ausblickspiegels 9 und der Stellung des Licht­ projektors 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 13 wird ein Stellmotor 11 ange­ steuert, der über die Drehachse 7 auf die Spiegel 8 und 9 einwirkt.

Dadurch wird das vom Lichtprojektor 6 ausgehende Licht­ bündel auf einen anderen Punkt des Sensorenfeldes 10 ge­ lenkt. Die in den Photodioden freigesetzten Elektronen werden in ein analoges Schieberegister 10 a übernommen. Von einem Oszillator 17 zyklisch gesteuert, wird das Schieberegister 10 a (beispielsweise ein CCD-Schiebe­ register) ausgelesen. Das analoge Ausgangssignal wird über einen Schwellwertkomparator einem ersten Register 15 zugeführt, in dem gesteuert vom Oszillator 17 und einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Start/Stoppsignals 18 die Lage des Lichtpunktes auf dem Sensorenfeld 10 festgestellt wird. Die Nummer der beleuchteten Photodiode wird in ein zweites Register 19 eingelesen. In der Vor­ richtung 20 wird dann aus den jeweils letzten einge­ lesenen Nummern ein Mittelwert gebildet. Damit wird der Ist-Lagewert des Lichtpunktes bestimmt und in der Vorrichtung 21 festgehalten. Vom zweiten Register 19 aus­ gehend werden parallel in der Vorrichtung 22 Differenzen zwischen den Lagewerten gebildet und gespeichert. Aus den jeweils letzten Differenzwerten wird in der Vor­ richtung 23 ein Mittelwert gebildet, der ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit des Lichtstrahles um die Drehachse 7 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 Sensoren­ feldes 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 festge­ haltenen Maß für die Winkelgeschwindigkeit werden einer Signal-Anpaßelektronik 26 zugeführt und bilden die Grundlage für Ansteuersignale, die der Höhenrichtkraft­ anlage 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 bis der gebildete Differenzwert und daß 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 Schuß­ signales gegeben.

Mit der beschriebenen Einrichtung werden die Stabilisierungs­ bewegungen des Ausblickspiegels 9 oder die Richtbe­ wegungen unverzüglich auf die Kanone immer derartig übertragen, daß eine gewünschte Winkeldifferenz zwischen Visierlinie und Kanone eingestellt wird. Diese Winkel­ differenz kann unter Berücksichtigung ballistischer Parameter im Feuerleitrechner errechnet werden. Dabei werden alle Einflußgrößen, wie Zielentfernung, Munitions­ art, Verkantung, Rohrverschleiß, Pulvertemperatur, Außen­ temperatur, 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.

Claims (11)

1. Mechanisch-optronischer Winkelkomparator zur Be­ stimmung der relativen Winkelstellung einer Waffe zur Visierlinie an einem Kampffahrzeug, bei dem das Visier einen um eine zur Drehachse der Waffe parallele Dreh­ achse schwenkbaren Ausblickspiegel aufweist und mit einem Lichtprojektor, dessen optische Achse senkrecht zur Drehachse des Ausblickspiegels steht, wobei das von ihm ausgehende Lichtbündel die parallel zur Drehachse des Ausblickspiegels verlaufende Reflexionsfläche eines Umlenkspiegels trifft, der mit dem Ausblickspiegel gekoppelt ist und mit einem am Fahrzeug angeordneten optischen Sensorenfeld mit einer Vielzahl von in einer Reihe angeordneten lichtempfindlichen Bereichen, sowie einer an das optische Sensorenfeld angeschlossenen elektronischen Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeich­ net, daß er eine Vorrichtung (3, 5) zur winkelrichtigen, mechanischen Übertragung der Winkelstellung der Waffe (1) auf ein drehbares Zwischenstück (4) aufweist, welches senkrecht zur Drehachse (7) des Ausblickspiegels (9) steht und dessen Drehachse mit der Drehachse (7) des Ausblickspiegels (9) zusammenfällt, wobei seine Drehbar­ keit unabhängig von der des Ausblickspiegels (9) ist und daß der Lichtprojektor (6) am Zwischenstück (4) so angeordnet ist, daß das von ihm ausgehende Lichtbündel auf den Umlenkspiegel (8), der mit dem Ausblickspiegel (9) starr verbunden und zusammen mit ihm um die gleiche Drehachse (7) schwenkbar ist, fällt und in Richtung des Sensorenfeldes (10) reflektiert wird und daß die elek­ trische Auswerteeinrichtung (10 bis 25) mit einer Regel­ vorrichtung (26, 27) zur Nachführung der Waffe (1) in Abhängigkeit von der Lage und Bewegung der Visierlinien verbunden ist.

2. Winkelkomparator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung zur winkelrichtigen, mechanischen Übertragung der Winkelstellung der Waffe einen fest an der Waffe (1) angeordneten, um die Dreh­ achse (2) der Waffe (1) schwenkbaren ersten Hebel (3) aufweist und das Zwischenstück (4) als zweiter Hebel ausgebildet ist, wobei die Länge der beiden Hebel (3, 4) gleich ist und die beiden Hebel über eine Übertragungs­ stange (5) miteinander verbunden sind, deren Länge gleich dem Abstand zwischen der Drehachse (2) der Waffe (1) und der Drehachse (7) des Ausblickspiegels (9) ist und 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.

3. Winkelkomparator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung zur winkelrichtigen, mechanischen Übertragung der Winkelstellung der Waffe auf das Zwischenstück aus einem flexiblen, bowdenzug­ artigen Übertragungselement besteht.

4. Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine in jedem Lichtprojektor ange­ ordnete Halbleiterlaserdiode, deren Emissionsstruktur mit Hilfe einer Abbildungsoptik auf die Oberfläche eines Sensorenfeldes abgebildet wird.

5. Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch mehrere, am Zwischenstück angeord­ nete Lichtprojektoren, deren optische Achsen in vorgege­ benen festen Winkelabständen zueinander stehen.

6. Winkelkomparator nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch mehrere am Fahrzeug angeordnete Sensorenfelder, wobei jedem Sensorenfeld ein Lichtprojektor zugeordnet ist.

7. Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorenfeld (10) ein Photodioden-Array enthält, bei dem die Photodioden in einer Reihe in vorgegebenen Abständen angeordnet und jeweils an die elektronische Auswerteeinrichtung ange­ schlossen sind.

8. Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorenfeld (10) ein linearer Encoder ist und hinter jeder Spur des Encoders eine Photodiode angeordnet ist, die an die elektronische Auswerteeinrichtung angeschlossen ist.

9. Winkelkomparator nach den Ansprüchen 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Photodioden an ein CCD- Schieberegister angeschlossen sind und zyklisch ausgele­ sen und ausgewertet wird.

10. Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorenfeld (10) zu Justierzwecken mechanisch verschiebbar ist.

11. Winkelkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Waffe (1) Stellglie­ der zur Einstellung einer vorgegebenen Winkeldifferenz zwischen der Waffenstellung und der optischen Achse des Ausblickspiegels angeordnet sind.