DE3029888C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen nordsuchenden Kreisel gemäß Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Aus dem Hauptpatent 29 48 051 ist ein nordsuchender Kreisel bekannt, bei dem in einem inneren, um seine vertikale Achse mittels eines Gaslagers drehbar gelagerten Rahmen ein Kreiselmotor angeordnet ist, dessen Spinachse orthogonal zur genannten Drehachse bzw. Hochachse und somit in einer horizontalen Ebene liegt. Der Rahmen ist mittels des Gaslagers in einem sogenannten Pen­ delkörper angeordnet, wobei dieser mittels Kardangelenk innerhalb eines Gehäuses derart aufgehängt ist, daß die vertikale Ausrichtung der Drehachse ermöglicht wird. Die derart ausgebildete Loteinrichtung enthält außerdem am unte­ ren Ende des Pendelkörpers einen elektrisch betätigbaren Lotmagneten, dessen Anker nach Durchführung der Lotung sich auf einem kalottenförmigen Teil des Gehäuses abstützt.

Mittels eines Schrittmotors kann der Pendelkörper um seine vertikale Achse gedreht werden, wobei gleichzeitig aus der Anzahl der eingegebenen Schrittimpulse die Winkelstellung des Pendelkörpers ermittelt wird. Durch einen Fesselkreis, bestehend aus Winkelabgriff, Regler und Drehmomenterzeuger, wird der innere Rahmen des Kreisels bezüglich der Drehbewe­ gung um die vertikale Achse an die Nullstellung gefesselt.

Zur Messung der Nordrichtung wird mittels des Fesselkreises in zwei gegeneinander in einem vorgegebenen Winkel von ins­ besondere 90° verdrehten Rahmenstellungen um die vertikale Achse die Fesselmomente bzw. die nordtreibende Momente ge­ messen und aus diesen näherungsweise die Nordablage, also die Stellung der Spinachse gegenüber Nord, bestimmt. An­ schließend wird mittels des Schrittmotors entsprechend der Nordablage der Pendelkörper nachgestellt und somit die Spinachse grob nach Nord ausgerichtet und nunmehr in einer oder mehreren Feinmessungen des nordtreibenden Moments die Nordrichtung bestimmt. Durch die Grobmessung erhält man in kurzer Zeit einen ersten Näherungswert für die Nordrichtung, wobei die Genauigkeit durch die etwas län­ ger dauernde Feinmessungen um eine Größenordnung weiter gesteigert wird. Die Steuerung des gesamten Nordungsab­ laufs, die Bestimmung der Winkel sowie die Filterung der Eingangsgrößen erfolgt mittels einer Recheneinrichtung.

Bei der Anwendung nordsuchender Kreisel, z. B. in Naviga­ tionsanlagen, ist eine möglichst geringe Nordsuchzeit von entscheidender Bedeutung. Durch die Aufsummierung der Zei­ ten der einzelnen Meßphasen, z.B. Anlauf, Grobmessung, Fein­ messung, entsteht eine Gesamtdauer des Nordsuchvorgangs von einigen Minuten, die möglichst gering gehalten werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen nordsuchenden Kreisel derart zu gestalten, daß bei Folgenordnungen ohne eine vorherige Grobmessung eine Ausrichtung der Spinachse des Kreiselmotors ermöglicht wird, um hiermit eine Verkürzung der Nordsuchzeit zu errei­ chen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruchs an­ gegebenen Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße nordsuchende Kreisel zeichnet sich bei Folgenordungen durch einen Wegfall der Grobnordung und eine daraus resultierende Verkürzung der Nordsuchzeit aus.

Eine Grobnordausrichtung des Kreisels ist jedoch für eine anschließende Feinmessung nötig. Daher wird in vorteilhafter Weise die bei dem vorhergehenden Nordsuchvorgang ermittelte Nordrichtung in verschiedener Weise abgespeichert, um damit bei einem darauf folgenden Nordsuchvorgang eine Grobausrichtung der Kreiselspinachse vorzunehmen. Hierbei verstellt der Schrittmotor, gesteuert von einem Rechner, die Spinachse des nordsuchenden Kreisels in die, im vorhergehenden Nordsuchvorgang ermittelte und abgespeicherte nunmehr als Grobnordrichtung dienende, Richtung. Während der Fahrt eines Fahrzeuges, welches mit einer Navi­ gationsanlage bestückt ist, kann z.B. ein Kurskreisel für die Speicherung der Nordrichtung verwendet werden. Für eine Grobnordausrichtung reicht die Genauigkeit dieses Kreisels innerhalb einer bestimmten, nicht zu überschrei­ tenden Zeit aus. Ferner können bei Stillstand des Fahr­ zeuges auch andere Speichermedien und -verfahren zum Ein­ satz kommen.

Durch den Wegfall der Grobnordung kann die Drehung des Kreisels in die nordnahe Stellung bereits während des Kreiselmotoranlaufs erfolgen. Daraus ist zu ersehen, daß die Zeitverkürzung nicht allein durch den Wegfall der Grobnordung, sondern auch durch die nun mögliche Verknüp­ fung von Anlauf und Schwenken des Pendelkörpers bzw. der Spinachse bewirkt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei­ gt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines nordsuchen­ den Kreisels, teilweise im Längsschnitt,

Fig. 2 eine allgemeine Prinzipskizze der verschie­ denen Achsen des nordsuchenden Kreisels,

Fig. 3 eine Prinzipskizze der Achsen des Kurs- und des nordsuchenden Kreisels,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Kurs- und nordsuchen­ den Kreisels,

Fig. 5 eine Prinzipskizze der Achsen der nord­ suchenden Kreisels bei Messung mit 180° Umschlag.

Der nordsuchende Kreisel gemäß Fig. 1 - wie aus dem Haupt­ patent bekannt - enthält in einem Gehäuse 1 einen unter einer Grundplatte 2 an einem Kardangelenk 3 aufgehängten Pendelkörper 4. Zwischen dem schematisch dargestellten Kardangelenk 3 und dem Pendelkörper 4 ist ein als Taumel­ scheibenmotor ausgebildeter Schrittmotor 5 angeordnet. Der Schrittmotor 5 enthält einen am Kardangelenk 3 befestigten Stator 6 sowie einen über ein Kugellager 7 drehbar angeord­ neten Rotor 8. Das Kugellager 7 dient gleichzeitig zur La­ gerung des mit dem Rotor 8 verbundenen Pendelkörpers 4. Auf dem Stator 6 sind über den Umfang verteilt eine Anzahl von elektrischen Wicklungen 9 angeordnet. Der Rotor 8 enthält einen mit dem Pendelkörper 4 mittels einer axial nachgiebi­ gen und radial steif angeordneten Taumelscheibe, oder mit­ tels einer Membran 10 verbundenen Zahnkranz 11, welchem auf dem Stator 6 gegenüberliegend ein Zahnkranz 12 zugeordnet ist. Die Zahnkränze 11, 12 weisen eine hohe Zähnezahl auf, wobei die Zähnezahldifferenz vorzugsweise ein Zahn beträgt. Bei einem derartigen Schrittmotor 5 kann die Schrittweite entsprechend der Zähnezahl und der Anzahl der Wicklungen 9 relativ grob gewählt werden, wobei trotzdem eine sehr hohe Teilungsgenauigkeit erreicht wird. Der Pendelkörper 4 kann somit um die Drehachse 13 über den gesamten Winkelbereich voll durchgedreht und mit hoher Genauigkeit eingestellt werden. Der Schrittmotor 5 dient gleichzeitig als Winkelge­ ber für die Stellung des Pendelkörpers 4 bezüglich des Ge­ häuses 1, wobei ausgehend von einer vorgegebenen Nullstel­ lung lediglich die Steuersignale für die Wicklungen 9 aus­ gezählt werden. Hierfür ist ein einfacher, hier nicht dar­ gestellter Nullstellungsabgriff vorgesehen. Am unteren Ende des Pendelkörpers 4 ist ein elektrisch ansteuerbarer Lot­ magnet 16 vorgesehen, dessen als sogenannter "Trampelfuß" ausgebildeter Anker 17 sich auf einem kalottenförmigen Teil 18 des Gehäuses 1 abstützt. Es ist ersichtlich, daß somit für den kardanisch aufgehängten Pendelkörper 4 eine Loteinrichtung geschaffen ist. Ist nämlich abwei­ chend von Fig. 1 die Hochachse 19 nicht vertikal ausge­ richtet, so kann durch eine im Taktbetrieb erfolgende Ansteuerung des Lotmagneten 16 der Anker 17 von der Kalot­ te abheben, mit der Folge, daß der Pendelkörper 4 sich exakt vertikal ausrichtet. Selbstverständlich kann die Lotung auch über Lotfühler sowie durch diese gesteuerte Stellglieder, wie zum Beispiel Servomotoren oder Drehmoment­ erzeuger, durchgeführt werden.

Innerhalb des Pendelkörpers 4 befindet sich der Präzessions­ rahmen 20, welcher einen um die Spinachse 21 drehbaren Krei­ selmotor 38 enthält. Der Rahmen 20 ist gegenüber dem Pendel­ körper 4 bzw. Nachführrahmen mittels einer statischen Gas­ lagerung, enthaltend ringförmige Axial- und Radialluftspalte 24, 25, um die Ausgangs- bzw. Drehachse 13 drehbar gelagert. Zur Speisung der Lagerung ist im unteren Teil des Pendelkör­ pers 4 ein schematisch angedeuteter Verdichter 27 vorgese­ hen. Es ist weiterhin ein Winkelstellungsabgriff und ein Drehmomenterzeuger 30, 31 vorgesehen. Hiermit wird einer­ seits die Winkelstellung des Rahmens 20 bzw. der Spinachse 21 bezüglich des Pendelkörpers 4 abgegriffen und andererseits ist ein Fesselmoment um die Drehachse 13 erzeugbar zur Fes­ selung des Rahmens 20 an eine vorgegebene Nullstellung. Als Antrieb des Kreiselrotors 22 ist ein Motor 32, 33 vorge­ sehen, welcher bevorzugt als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Es sind ferner zwischen Pendelkörper 4 und Rahmen 20 schematisch dargestellte Stromzuführungsfedern 36 vorhanden. Die gesamte zur Durchführung der Nordung erfor­ derliche Elektronik 37 einschließlich Rechner, Microprozes­ sor und Stromversorgung, ist im oberen Teil des Kreisels auf der Grundplatte 2 angeordnet, oder kann in einem separaten Gehäuse untergebracht sein.

Bei einem Nordsuchvorgang bewirkt die Erdrotation auf die horizontal ausgerichtete, in einem beliebigen Winkel von Nord abstehenden Spinachse 21, ein nach Nord gerichtetes Mo­ ment. Dieses wird mittels des Abgriffs 30 gemessen und ein gleich großes entgegengerichtetes Moment mittels eines Drehmomenterzeugers 31 auf die Spinachse 21 bzw. den Rahmen 20 erzeugt. Der für dieses Moment nötige Torquer­ strom dient bei der Feinmessung direkt als Maß für die Nordablage Δα _k bzw. den Winkel, den die Spinachse 21 mit der Nordrichtung einschließt.

In der Prinzipskizze Fig. 2 ist eine Grobnordausrichtung Ng der Spinachse 21 des Kreiselrotors 22 graphisch dargestellt. Mit­ tels eines in einem Speicher oder in einem anderen Mittel abgespeicherten oder vorhandenen, auf Nord bezogenen Wer­ tes, z.B. die Kurswertanzeige eines Kurskreisels, werden dem Schrittmotor 5 elektrische Impulse zugeführt, welche ein Schwenken des Pendelkörpers 4 in bezug auf das Gehäuse 1 bewirken und dadurch die Spinachse 21 des Kreiselrotors 22 und somit auch die Richtung des Drallvektors in eine nord­ nahe Stellung Ng bringen. Mittels einer oder mehreren Fein­ messungen wird anschließend der Nordablagewinkel Δα _k er­ mittelt und die exakte Nordrichtung N bestimmt.

Fig. 3 zeigt das Prinzip einer Grobnordausrichtung mittels eines auf einen Kurskreisel bezogenen Kurswertes. In einem ersten Nordsuchvorgang wurde mittels einer Feinmessung die Nordrichtung N ermittelt. Die Spinachse des Kurskreisels steht in einer beliebigen Richtung α gegen Nord und schließt mit der Längsachse F 1 des Fahrzeugs einen Winkel γ ein. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Spinach­ sen des Kurs- und des nordsuchenden Kreisels in eine hori­ zontale Ebene projiziert und mit einem gemeinsamen Schnitt­ punkt dargestellt, auch wenn in einer konstruktiven Ausbil­ dung die Spinachsen räumlich getrennt angeordnet sind. Als Bezugswert wird der Winkel α zwischen der Spinachse KK 1 und der Nordrichtung N festgestellt und vom Kurskreisel gespei­ chert. Der momentane Kurs δ des Fahrzeugs ergibt sich aus der Addition der Winkel α und γ.

Während der Fahrzeugfahrt ändern die Fahrzeuglängsachse F und der nicht in Betrieb befindliche, nordsuchende Kreisel ihre Lage bezüglich der Nordrichtung, während die Spin­ achse des Kurskreisels ihre Lage mit Ausnahme der Drift bei­ behält. Infolge dieser Drift wandert jedoch die Kurskreisel­ spinachse allmählich aus ihrer Lage heraus, so daß die Kurs­ information um das Integral dieser Drift, den Fehlerwinkel β, verfälscht wird. Nach einer bestimmten Zeit nimmt dann beispielsweise die Fahrzeuglängsachse die Stellung F 2 ein, die Spinachse des Kurskreisels die Stellung KK 2. Durch eine erneute Nordung mittels des nordsuchenden Kreisels und Bildung eines Winkels α _neu wird dieser Fehler korrigiert. Hierzu wird die Spinachse des nordsuchenden Kreisels zu­ nächst derart ausgerichtet, daß diese mit der Spinachse des Kurskreisels den Bezugswert α der vorhergehenden Nordung einschließt, und somit bis auf einen Winkelfehler b vorge­ nordet ist. Damit ist die Spinachse des nordsuchenden Krei­ sels grobnordausgerichtet und befindet sich in Stellung Ng und in einer nun folgenden Feinmessung wird der Nordablage­ winkel Δα _k und die genaue Nordrichtung ermittelt und der Winkel α _neu zwischen Nord und der momentanen Kurskreisel­ stellung abgespeichert.

In Fig. 4 ist in einem Blockschaltbild die Anordnung der Kreisel und einem Teil der peripheren Geräte auf einem Fahrzeug dargestellt. Während einer Fahrt wird mittels des Kurskreisels KK und einem in Fig. 4 nicht dargestell­ ten Wegstreckenzähler der Kurs und die Position des Fahr­ zeugs ermittelt und angezeigt. Wird das Fahrzeug bei Be­ endigung der Fahrt stillgesetzt, so wird gleichzeitig auch der Kurskreisel abgeschaltet. Der letzte Kurswert, d.h. die Kursrichtung δ der Längsachse des stehenden Fahr­ zeugs gegen Nord, wird in einen Speicher Sp abgespeichert. Bei Wiederinbetriebsetzen des Fahrzeugs muß die genaue Nordrichtung mittels des nordsuchenden Kreisels ermittelt werden. Aus der abgespeicherten Kursinformation δ und der Stellung der Spinachse des nordsuchenden Kreisels S _AS er­ mittelt ein Rechner den nötigen Schwenkwinkel ∡ _AS für den Pendelkörper, um die Spinachse des nordsuchenden Kreisels in eine nordnahe Stellung auszurichten. Nach diesem Vorgang kann eine Feinmessung durchgeführt werden. Selbstverständ­ lich kann der Rechner selbst als Speicher Sp dienen.

Ein weiterer nach einer gewissen Zeit durchzuführender Nord­ suchvorgang kann dann mit dem in Fig. 3 beschriebenen Ver­ fahren durchgeführt werden.

Ist nach dem Ablauf eines Meßverfahrens mit Grobausrichtung oder -messung zur Nordablagebestimmung und einer oder meh­ reren Feinmessungen eine noch größere Genauigkeit in bezug auf die Nordrichtung erforderlich, so kann sich eine weite­ re Feinmessung direkt ohne Abschalten des nordsuchenden Kreisels anschließen, d.h. mittels eines geeigneten Bedien­ elements wird ein weiterer Startbefehl während der ersten Messung erteilt.

Fig. 5 zeigt die graphische Darstellung dieses Verfahrens, wobei der bei der vorhergehenden Feinmessung ermittelte Nordwert Δα _k der Spinachse hier direkt als Grobnordwert Ng verwendet wird.

Zur weiteren Feinmessung wird die Spinachse um den Winkel Δα _k geschwenkt, so daß die Restablage der Spinachse von Nord und damit auch winkelabhängige Fehler verringert wer­ den.

Weiterhin können bestimmte Kreiselfehler dadurch eliminiert werden, daß die Spinachse um einen Winkel 180°-Δα _k ge­ schwenkt wird, wobei Δα _k dem Nordwert der vorherigen Feinmessung entspricht und in der Stellung NF eine weitere Feinmessung erfolgt.

Claims (9)

1. Nordsuchender Kreisel, enthaltend

• - in einem Rahmen einen Kreiselmotor mit horizontal ausrichtbarer Spin­ achse,
• - einen an einem fest mit einem Gehäuse verbundenen Kardangelenk aufge­ hängten Nachführrahmen bzw. Pendelkörper, in welchem der Rahmen um eine vertikal ausrichtbare Drehachse drehbar angeordnet ist,
• - eine Loteinrichtung zur vertikalen Ausrichtung des drehbaren Pendel­ körpers,
• - einen Fesselkreis mit einem Abgriff für die Winkelstellung des inneren Rahmens gegenüber dem Pendelkörper und einen Drehmomenterzeuger zur Fesselung des Rahmens in seiner Nullstellung in Abhängigkeit des Ab­ griffsignales, wobei der Strom im Drehmomenterzeuger ein Maß für die Eingangswinkelgeschwindigkeit bzw. das nordtreibende Moment darstellt,
• - einen zwischen Kardangelenk und Pendelkörper angeordneten Schrittmotor mit hoher Teilungsgenauigkeit zur Einstellung des Pendelkörpers gegen­ über dem Gehäuse in definierte Stellungen zur Ermittlung einer Grob­ nordrichtung,

bei dem nach einer Ausrichtung der Spinachse in die Grobnordrichtung mittels des Schrittmotors die Winkelgeschwindigkeit (ω₃) in einer ersten Feinmessung gemessen und hieraus die Nordablage Δα _k nach der Beziehung bestimmt wird, wobei für die Kreiseldrift (D*) ein vorbekannter und/oder aus weiteren Messungen berechenbarer Wert verwendet und die Horizontal­ komponente (Ω _H ) der Erdrotation eingesetzt wird, nach Anspruch 14 des Patents 29 48 051, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor (5) bei einem folgenden Nordsuchvorgang, gesteuert von einem Rechner, die Spin­ achse (21) des nordsuchenden Kreisels (NSK) in die, im vorhergehenden Nordsuchvorgang ermittelte und abgespeicherte nunmehr als Grobnordrichtung dienende Richtung verstellt.

2. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Grobnordausrichtung der Spinachse (21) ein mit dem nordsuchenden Kreisel (NSK) in Verbindung stehender Kurskreisel (KK) dient, dessen Ausrichtung (α) gegen Nord beim vorhergehenden Nordsuchvorgang ermittelt wurde.

3. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grobnordausrichtung des nordsuchenden Krei­ sels (NSK) mittels des Kurskreisels (KK) nur innerhalb einer bestimmten Periode nach dem letzten Nordsuchvorgang erfolgt.

4. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 1, bei dem die Ausrichtung eines Kurskreisels gegen Nord mit Hilfe der Nord­ suchvorgänge ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abschalten des Kurskreisels (KK) die Aus­ richtung δ der Fahrzeuglängsachse (FL) gegen Nord (N) abgespeichert wird, und daß bei einem folgenden Nord­ suchvorgang der gespeicherte Wert (δ) als Nordrefe­ renz zur Grobnordausrichtung (Ng) der Spinachse (21) dient.

5. Nordsuchender Kreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Bedienelementes zwischen einem normalen Nordsuchverfahren mit Grob- und Feinmessung und der Grobnordausrichtung aufgrund der beim letzten Nordsuchvorgang ermittelten Nord­ richtung ausgewählt wird.

6. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer im Anschluß an eine Feinmessung ohne Abschalten des Kreisels geforderten weiteren Messung die bei der letzten Feinmessung ermittelte Nordrich­ tung als Grobnordausrichtung der Spinachse (21) verwendet wird.

7. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Messung nach einem Drehen des Pendel­ körpers (4) um einen Winkel a _G=-Δα _k erfolgt, wobei Δα _k die bei der letzten Feinmessung ermittelte Nordablage ist.

8. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Messung nach einem Drehen des Pen­ delkörpers (4) um einen Winkel a _G =180°-Δα _k erfolgt.