DE3004007A1

DE3004007A1 - Kreiselvorrichtung

Info

Publication number: DE3004007A1
Application number: DE19803004007
Authority: DE
Inventors: Alan Paul Liebing
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1979-02-09
Filing date: 1980-02-04
Publication date: 1980-09-11
Also published as: FR2448713B1; JPS6216363B2; JPS55106309A; GB2041519A; GB2041519B; DE3004007C2; FR2448713A1

Description

Patentanwälte Dipl. ing. Hans-Jürgen Müllop 3 0 0 4 0

Dr. γργ. Bat. Thomas Eerendt

Jüi··- Ing. Haus Leyh Luci!e-G;ahr:-$ira3e3C D öAtöndien

Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

Ferranti Limited

Hollinwood, Lancashire, England

Kreiselvorrichtung

030037/oeit

Ferranti Ltd. - A 14 351 -

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kreiselvorrichtung und insbesondere eine Vorrichtung zur Bestimmung der Nord-Richtung.

Es ist bekannt, Kreisel zur Bestimmung der Nord-Richtung unter Ausnutzung der Erdrotation zu verwenden. Im allgemeinen ist dieses Verfahren jedoch komplex und die Bestimmung der Nordrichtung mit einer gegebenen Genauigkeit kann eine lange Zeit beanspruchen.

Es ist bekannt, Kreiselvorrichtungen, die zur Bestimmung der Nord-Richtung dienen, auf einem Drehteller zu montieren, wie beispielsweise einem Theodolit-Kopf, und diese Vorrichtungen so zu betreiben, daß die Mißweisung gegenüber Norden auf einem Meßgerät oder einem anderen Anzeigegerät angezeigt wird. Es ist dann erforderlich, den Drehteller um den angezeigten Winkel in die richtige Richtung zu drehen, um die wahre Nord-Richtung zu erhalten. Eine solche Vorrichtung benötigt eine genau geeichte Skala auf dem Drehteller, was relativ kostenaufwendig ist. Es ist ferner bekannt, einen einachsigen Wendekreisel pendeiförmig aufzuhängen, so daß seine empfindliche Achse waagerecht gehalten ist. Der Drehteller braucht in diesem Fall zwar nicht genau waagerecht und stabil sein, die anderen, oben genannten Probleme werden aber nicht gelöst.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kreiset Vorrichtung zur Bestimmung der Nord-Richtung zu schaffen, die einfach aufgebaut und leicht zu betätigen ist und bei der eine Eichung nicht erforderlich ist.

Nach der Erfindung wird dies erreicht mit einer Kreiselvor-

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richtung zum Bestimmen einer Haupt-Kompaßrichtung, mit einem Wendekreisel mit zwei orthogonalen empfindlichen Achsen, einem Träger, der um eine vertikale Achse drehbar ist und den Kreisel so trägt, daß eine erste seiner Achsen horizontal liegt und nominell in diese Haupt-Kompaßrichtung zeigt, und daß seine andere sensitive Achse um die erste sensitive Achse um einen bekannten kleinen Winkel zur Horizontalen geneigt ist, einen Aufnehmer, der auf Bewegungen des Kreisels um die beiden empfindlichen Achsen anspricht, sowie eine Schaltung, die auf die Ausgänge des Aufnehmers anspricht und eine Anzeige bezüglich der Richtung irgendeiner Mißweisung der ersten Achse gegenüber der Haupt-Kompaßrichtung

Der Wendekreisel kann mittels einer pendeiförmigen Aufhängung abgestützt sein, um die gewünschte Orientierung der beiden empfindlichen Achsen beizubehalten.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch in Form eines Diagrammes die relativen Richtungen der Kreiselachsen und die Haupt-Kompaßrichtungen zeigt.

Fig. 2 zeigt teilweise perspektivisch einen zweichsigen Wendekreisel (rate gyroscope).

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Schaltung.

Fig. 5 zeigt schematisch eine pendeiförmige Aufhängung und

Fig. 6 zeigt eine Schaltung nach einer alternativen Ausführungsform.

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-S-

In Fig. 1 sind die Hauptachsen die vertikale Achse V, die Nord-Süd-Achse NS und die Ost-West-Achse EW. Das Diagramm zeigt ferner die Achsen X und Y des zweiachsigen Wendekreisels, wobei diese Achsen wechselweise senkrecht zueinander stehen. Die Y-Achse wird genau horizontal gehalten und sie zeigt nominell in Ost-West-Richtung. Die Mißausrichtung gegenüber dieser Richtung, die gewöhnlich klein ist, ist mit dem Winkel V bezeichnet. Die X-Achse des Kreisels weicht daher gegenüber der Nord-Süd-Richtung ebenfalls um denselben Winkel Y ab. Ferner ist jedoch die X-Achse um die Y-Achse gedreht, so daß sie gegenüber der Horizontalen um einen kleinen bekannten Winkel /3 geneigt ist. Die Kreiseldrehachse Z ist gegenüber der Vertikalen um denselben Winkel /3 geneigt. Schließlich ist die Breite des Ortes des Kreisels mit dem Winkel O^ bezeichnet. Dies ist natürlich ein variabler Winkel.

Fig. 2 zeigt schematisch einen konventionellen zweiachsigen Wendekreisel. Eine Kreiselmasse GM wird durch einen nichtgezeigten Motor schnell gedreht und sie ist in einem inneren Kardanring IG montiert, der um eine horizontale Achse, d.h. die Y-Achse in einem äußeren Kardanring OG schwenkbar ist. Der äußere Kardanring selbst ist um eine Achse X schwenkbar, die senkrecht zur Y-Achse liegt. Die X-Achse trägt einen Aufnehmer XP und einen Drehmoment-Aufnehmer (torquer) XT, die Y-Achse trägt ebenfalls einen Aufnehmer YP und einen Drehmoment-Aufnehmer YT. Der Ausgang des Aufnehmers XP wird an einen Verstärker A1 gelegt, um sowohl den X-Achsenausgang XO und den Eingang zum X-Achsen-Drehmomentaufnehmer XT zu liefern. In gleicher Weise ist der Aufnehmer YP an einen zweiten Verstärker A2 gelegt, dessen Ausgang sowohl den Y-Achsen-Ausgang YO und den Eingang zum X-Achsen-Drehmomentaufnehmer XT bildet. Wenn der Kreisel um eine vertikale Achse drehbar ist mit Ausrichtung der X-Achse und der Y-Achse, wie

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-X-

anhand von Fig. 1 beschrieben und unter der Annahme, daß die Winkelgeschwindigkeit der Erde Xl ist, ergeben sich folgende Ausgänge der beiden Verstärker:

XO = SL cos ( rÄ + β ) cos f
XO = Π cos CA sin Ϋ

Wenn der Kreisel um die vertikale Achse gedreht wird, um die Mißweisung der Y-Achse gegenüber der Ost-West-Richtung zu korrigieren, und zwar mit einer Winkelgeschwindigkeit von /αϊ, so beeinflußt diese Drehung nicht den Ausgang YO, da er senkrecht zur Y-Achse ist. Infolge der Neigung der X-Achse gegenüber der Horizontalen wird diese Drehung jedoch mit der X-Achse gekoppelt und der Ausgang XO ist nun gegeben durch

XO = .SL cos ( X + /\ ) cos γ + /u siiy?

Fig. 3 zeigt eine Schaltung, an welche die beiden Ausgänge XO und YO des Kreisels gelegt werden.

Der Ausgang YO wird an eine erste Signalverarbeitungseinheit 30 gelegt, die den Eingang um einen konstanten Faktor teilt. Der andere Ausgang XO wird an eine zweite Signalverarbeitungseinheit 31 gelegt, die von ihm eine konstante Größe abzieht. Die Ausgänge der beiden Einheiten werden addiert und an den Eingang eines Summierverstärkers 32 gelegt, der eine lange Zeitkonstante hat. Der Ausgang des Verstärkers wird an ein Anzeigegerät 33 gegeben.

Der konstante Dividierfaktor der Einheit 30 ist gleich Jlcos :X , so daß der Ausgang der Einheit 30 die Größe sin γ darstellt. Wenn der Winkel der Mißweisung klein ist,

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dann ist der Ausgang der Einheit 30 proportional zum Winkel Y selbst. Die konstante Größe, die vom Eingang XO durch die Einheit 31 subtrahiert wird, ist gleich SL cos (C)L+fi). Da der Winkel γ klein ist wenn die Vorrichtung annähernd ausgerichtet ist, ist cos Y annähernd gleich eins. Damit ist der Ausgang der Einheit 31 annähernd gleich /u sinA .

Wenn der einzige Eingang zum Verstärker 32 der Ausgang der Einheit 30 wäre, der dem Winkel jf proportional ist, dann wäre der Ausgang des Verstärkers ebenfalls zu demselben Winkel proportional. Jedoch liegt auch der Ausgang der Einheit 31 vor und gibt, wenn er integriert wird ein Maß für den Winkel, um den die Vorrichtung in Azimut-Richtung gedreht wird. Der Verstärker 32 wirkt als Integrator und die beiden Eingänge werden derart an ihn angelegt, daß der eine den andern zu versetzen (offset) sucht.

Im Betrieb bleibt die Vorrichtung ungestört, bis der Ausgang vom Verstärker 32 einen stetigen Wert erreicht hat. Der Ausgang dieses Verstärkers wird an das Meßgerät 33 gelegt und gibt eine Anzeige, jedoch keinen Meßwert der wirklichen Mißweisung oder des wirklichen Fluchtungsfehlers Yq. Der Ausgang ist beinahe vollständig eine Folge des Einganges YO zum Gerät 30, weil der Eingang XO in Abwesenheit irgendeiner Rotation der Vorrichtung nahezu vollständig durch die Einheit 31 gelöscht wird.

Wenn die Vorrichtung nun um eine vertikale Achse in einer solchen Richtung gedreht wird, daß die Mißweisung bzw. der Fluchtungsfehler reduziert wird, so wird der Eingang XO

XO - _n cos (oi + β ) cos Y₀ + /U sin /2 .

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BAD ORIGINAL

J-

Der erste Ausdruck wird kontinuierlich durch die Einheit auf Null gebracht und der zweite Ausdruck wird durch den Verstärker 32 integriert, der einen momentanen Ausgang gibt, der die Größe der angelegten Korrektur darstellt.

Dieser ist von entgegengesetztem Sinn als ein bereits vorhandener Ausgang Y, womit der wirkliche Ausgang des Verstärkers, der durch das Gerät 33 angezeigt wird, die Differenz ( f_Q - Y) ist. Die Vorrichtung kann dann gedreht werden, bis diese Differenz Null wird, zu welchem Zeitpunkt die Y-hshm genau in Ost-West-Richtung ausgerichtet ist. Die X-Achse des Kreisels, obwohl nicht horizontal, zeigt genau in die Nord-Süd-Richtung. Die oben verwendeten Annäherungen für die Werte von sin γ und cosVwerden genauer, wenn die Mißweisung auf Null reduziert wird.

Die Änderung des Wertes Y_c ist augenblicklich und der Vorgang der Ausrichtung ist daher sehr schnell, sobald der Anfangsausgang des Verstärkers 32 einen stetigen Wert erreicht hat.

Die Einheiten 30 und 31 können in geeigneter Form aufgebaut sein. Die einfachste Form der Dividierschaltung 30 ist ein Potentiometer zum Dividieren des Einganges YO durch den Faktor -iicds o( , der bei jeder bestimmten Breite eine Konstante ist. Das Potentiometer ist ideal veränderbar, um die verschiedenen Werte für den Winkel o( abzugeben. Die Einheit 31 kann ein Summierverstärker sein zum Zusammenfassen einer vorgegebenen Spannung von - Jl cos ( (X + β ) mit dem XO-Eingang H cos ( oi + (I ) cos γ + /u sin/3 · °er Verstärker 32 kann für diesen Zweck verwendet werden und der Wert des Potentiometers 30 kann auf den Wert des Rückkopplungswiderstandes des Verstärkers bezogen werden. Fig. 4 zeigt eine solche Ausbildung.

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BAD ORIGINAL

In der Schaltung nach Fig. 4 hat das Potentiometer einen Wert von r, wobei
r = R XLcos Ok .

R ist hierbei der Widerstandswert des Rückkopplungswiderstandes des Verstärkers 32. Die beiden anderen Eingänge werden an den Verstärker 32 über Suirunierwiderstände mit gleichem Widerstandswert R.. gelegt, wobei R₁ = R sin/3 .

Der Winkel A ist konstant und in die Vorrichtung eingebaut. Fig. 4 zeigt vielleicht die einfachste Form der Einheiten und 31. Mehr komplexere elektronische Schaltungen können jedoch verwendet werden.

Aus der Beschreibung geht hervor, daß die Vorrichtung so eingebaut bzw. aufgebaut werden muß, daß ihre X-Achse und ihre Y-Achse genau positioniert sind und daß sie um eine vertikale Achse drehbar ist. Wenn die Vorrichtung auf einem stabilen Träger montiert ist, dann ist nur ein geeigneter Drehteller erforderlich, wie z.B. ein Theodolit-Kopf. Dieser braucht jedoch nicht geeicht zu sein, da keine Messung der Mißweisung oder Abweichung vorgesehen ist. In Fällen, in denen ein stabiler Träger nicht zur Verfügung steht oder verwendet werden kann, ist es erforderlich, die Vorrichtung mit Hilfe einer zweiachsigen Pendelaufhängung abzustützen. Eine solche Aufhängung ist in der deutschen Patentanmeldung P 29 48 726.1 beschrieben.

Fig. 5 zeigt eine solche Aufhängung, in welcher der zweiachsige Wendekreisel 50 mittels einer doppelten, über Kreuz verlaufenden Federaufhängung abgestützt ist. Diese umfaßt Federn 51, die die X-Achse bilden und Federn 52, die die Y-Achse bilden und die in einem Rahmen montiert sind. Eine

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-X-

genaue Beschreibung dieser Aufhängung ist in der oben erwähnten Anmeldung enthalten. Die gesamte Aufhängung ist auf einem Drehteller 53 montiert.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Schaltung eignet sich für den Fall, in welchem der Kreisel durch eine Pendelaufhängung gehalten ist. Sie ist jedoch auch bei einer stabilen Montage verwendbar, hier ist es jdoch sehr wichtig, daß die Y-Achse des Kreisels genau senkrecht zur Achse des Drehtellers verläuft. Jeder Fehler in dieser Hinsicht führt zu Fehlern im Ausgang des Verstärkers 32. Ferner werden durch Abweichungen oder Ablenkungen im Drehteller während seiner Rotation Fehler erzeugt. Die Fehler erscheinen im Eingang YO der Schaltung, während die Korrektur Y , die während der Drehung des Drehtellers eingegeben wird, nur im Eingang XO erscheint. Es ist daher möglich, die Fehlerquellen zu vermeiden durch unterbrechen des YO-Signales während der Drehung des Drehtellers.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Ausnutzung dieses Vorteils und sie zeigt ferner eine vereinfachte Korrektur für die Breite (latitude). Wie zuvor, werden die beiden Eingänge über geeignete Summierwiderstände angelegt, es sind jedoch keine Signalverarbeitungseinheiten vorgesehen, hingegen wird durch einen Schalter SA ein Eingang ausgewählt, so daß nur einer der Eingänge zu einem Zeitpunkt an den Verstärker 32 gelegt wird. Der Rückkopplungswiderstand R ist nicht direkt mit dem Verstärkerausgang verbunden wie zuvor, sondern er ist über ein Potentiometer 61 und einen Schalter SB angekoppelt. Dieser Schalter, der mit dem Schalter SA gekuppelt ist, hat einen Kontakt, der mit dem Ausgang des Verstärkers 32 verbunden ist, während sein anderer Kontakt an einer konstanten Spannung V¹ liegt.

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BAD ORiGlHAL

-4t-

Sind die beiden Schalter eingestellt/ wie dargestellt, so wird nur der Ausgang YO an den Verstärker gelegt, wobei der Widerstand R über das Potentiometer 61 an den Ausgang des Verstärkers gelegt ist. Das Potentiometer ist eingestellt, um die erforderliche Breitenkorrektur abzugeben. Der Term JX des Eingangs ist konstant und kann durch geeignete Wahl der Stärken des Summierwiderstandes und des Rückkopplungswiderstandes R kompensiert werden. In diesem Zustand ist der einzige Eingang zum Verstärker derjenige, der sin Y darstellt, von welchem die Mißweisung bzw. der Fluchtungsfehler Y abgeleitet und angezeigt wird, wobei der Rückkopplungskondensator des Verstärkers bei diesem Prozess geladen wird. Wenn der Verstärkeralfegang einen stetigen Zustand erreicht hat, können die beiden Schalter betätigt werden, um den anderen Eingang mit dem Verstärker zu verbinden, der in einen reinen Integrator umgewandelt wird durch die Abtrennung des Rückkopplungswiderstandes R. Die Spannung V¹ ist derart gewählt, daß bei der gegebenen Einstellung des Potentiometers 61 der die Breite betreffende Term ausgeschaltet wird, so daß nur der Term /u sin/ö verbleibt und an den Verstärker gelegt und von ihm integriert wird. Der Verstärkerausgang entlädt den Rückkopplungskondensator und reduziert damit die Anzeige auf dem Anzeigegerät 33,

Die beiden Schalter sollten derart angeordnet sein, daß ihr Betrieb keine mechanischen Impulse auf den Kreisel überträgt, die zu Fehlern führen könnten.

Die Methode der Breiten-Korrektur, die in Fig. 6 gezeigt ist, kann auch bei den zuvor beschriebenen Ausfuhrungsformen angewendet werden.

Der Winkel β , um den die X-Achse des Kreisels gegenüber der Horizontalen versetzt ist, kann aus einem weiten Bereich

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gewählt werden. Der Winkel braucht nicht so klein zu sein, daß sein Effekt verlorengeht. In der ersten Ausführungsform liegt folgendes vor: Je kleiner der Winkel β gehalten wird, umso größer muß der Auteil des Einganges XO sein, der an den Summierverstärker gegeben werden muß. Damit würde die Größe irgendwelcher Fehler infolge von Ungenauigkeiten des Kreisels größer werden. Wenn andererseits der Wirtel f] zu groß gemacht wird, können die Verstärker nach Fig. 3, die mit den Servoschleifen des Kreisels verbunden sind, überladen werden. Obwohl /3 einen Wert bis zu beispielsweise 30° haben kann, liegt ein mehr geeigneter Wert etwa bei 5°.

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Zusammenfassung:

Die Erfindung betrifft eine Kreiselvorrichtung zum Bestimmen einer Haupt-Kompaßrichtung, mit einem zweiachsigen Wendekreisel 50, der auf einem Drehteller 53 montiert ist und dessen empfindliche Y-Achse horizontal liegt. Die andere empfindliche X-Achse ist um einen kleinen, bekannten Winkel zur Horizontalen geneigt. Aufnehmer XP, YP messen die Bewegungen des Kreisels um seine empfindlichen Achsen und ihre Ausgänge werden an Schaltungen 30, 31, 32, 33 gelegt, die die Richtung irgendwelcher Abweichungen des Kreisels von der gewünschten Kompaßrichtung anzeigen. Der Drehteller 53 kann dann gedreht werden, um die geeignete Achse des Kreisels in Flucht mit der erforderlichen Richtung zu bringen.

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Claims

Ferranti Ltd. - A 14 351 -

Patentansprüche

Kreiselvorrichtung zur Bestimmung einer Haupt-Kompaßrichtung, gekennzeichnet durch einen Wendekreisel mit zwei orthogonalen empfindlichen Achsen, einem um eine vertikale Achse drehbaren Träger, auf dem der Kreisel so angeordnet ist, daß eine erste seiner empfindlichen Achsen waagerecht liegt und nominal in diese Hauptkompaßrichtung zeigt, und daß seine andere empfindliche Achse um die erste empfindliche Achse um einen bekannten kleinen Winkel zur Horizontalen geneigt ist, einen auf die Bewegungen des Kreisels um die beiden empfindlichen Achsen ansprechenden Aufnehmer und eine Schaltung, die auf die Ausgänge des Aufnehmers anspricht und die Richtung einer Abweichung der ersten Achse von der Haupt-Kompaßrichtung anzeigt.
2. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung Signalverarbeitungsgeräte umfaßt, um die konstanten Komponenten der Aufnehmerausgänge von jeder Achse zu entfernen, ferner einen Integrier- und Summierverstärker zur Zusammenfassung der verarbeiteten Signale für jede Achse und eine Anzeigeeinrichtung, die auf den Ausgang des Verstärkers anspricht.
3. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung einen Verstärker sowie Schalter aufweist zur Veränderung der Charakteristiken des Verstärkers für jeden Ausgang des Aufnehmers, sowie Anzeigeeinrichtungen, die auf den Ausgang des Verstärkers ansprechen.

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Τι
4. Kreiselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung Einrichtungen aufweist, um die Veränderungen der Breite, in welcher die Vorrichtung benutzt wird, zu kompensieren.
5. Kreiselvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Träger eine zweiachsige Pendelaufhängung aufweist, an welcher der Kreisel angebracht ist.

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