DE3033281A1 - ARRANGEMENT FOR DAMPING NUTATIONAL VIBRATIONS IN DYNAMICALLY ADJUSTED, TWO-AXIS POSITIONER - Google Patents

ARRANGEMENT FOR DAMPING NUTATIONAL VIBRATIONS IN DYNAMICALLY ADJUSTED, TWO-AXIS POSITIONER

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DE3033281A1 DE19803033281 DE3033281A DE3033281A1 DE 3033281 A1 DE3033281 A1 DE 3033281A1 DE 19803033281 DE19803033281 DE 19803033281 DE 3033281 A DE3033281 A DE 3033281A DE 3033281 A1 DE3033281 A1 DE 3033281A1
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Description

PATENTANWÄLTE Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGASTPATENT LAWYERS Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST

BOKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT H- LANGENBERG Postfach 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895BOKENBUSCH41 D 5620 VELBERT H- LANGENBERG Box 110386 Telephone: (02127) 4019 Telex: 8516895

^ Patentanmeldung ^ Patent application

Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, D-7770 Überlingen (Bodensee)Bodenseewerk Geräteechnik GmbH, D-7770 Überlingen (Lake Constance)

Anordnung zur Dämpfung von Nutationsschwingungen bei dynamisch abgestimmten, zweiachsigen Lagekreiseln. Arrangement for damping nutation vibrations with dynamically coordinated, two-axis position circle eln.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Dämpfung von Nutationsschwingungen bei dynamisch abgestimmten, zweiachsigen Lagekreiseln mit einer ersten und einer dazu senkrechten zweiten Eingangsachse, einem ersten und einem zweiten Lageabgriff, welche auf Relativbewegungen zwischen Kreiselrotor und Gehäuse um die erste bzw. zweite Eingangsachse ansprechen, und einem Drehmomenterzeuger, der um die erste Eingangsachse wirksam ist.The invention relates to an arrangement for damping nutation vibrations in dynamically tuned, biaxial Attitude gyroscopes with a first and a second input axis perpendicular thereto, a first and a a second position tap, which reacts to relative movements between the gyro rotor and the housing around the first or address second input axis, and a torque generator that is effective around the first input axis.

Ein zweiachsiger Lagekreisel sucht bei Abwesenheit äußerer Drehmomente seine Orientierung im Raum beizubehalten. Durch Abgriffe können Bewegungen des Kreiselgehäuses gegenüber dem Kreiselrotor, d.h. gegenüber dem inertialen Raum gemessen werden. Die Abgriffsignale können beispielsweise zur Stabilisierung einer Plattform auf Servomotoren geschaltet werden. BeiA two-axis position gyro seeks to maintain its orientation in space in the absence of external torques. Movements of the gyro housing with respect to the gyro rotor, i.e. opposite measured in inertial space. The tap signals can be used, for example, to stabilize a Platform can be switched to servomotors. at

OJ solchen Lagekreiseln ist es wesentlich, daß möglichst keine Momente über die Lagerung am Kreiselrotor wirksam werden. Es ist bekannt, solche zweiachsigen Lagekreisel als sog. "dynamisch abgestimmte Kreisel" aus- OJ such positional gyroscopes, it is essential that as few moments as possible be effective via the bearing on the gyro rotor. It is known to design such two-axis position gyros as so-called "dynamically coordinated gyroscopes".

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^ Λ- zubilden. Bei solchen dynamisch abgestimmten Kreiseln ist der Rotor mit der Antriebsachse des Motors über einen Kardanring verbunden, der einerseits über ein Federgelenk mit der Antriebsachse und andererseits über ein dazu senkrecht angeordnetes Federgelenk mit dem Rotor verbunden ist. Bei einer Auslenkung des Kreiselgehäuses gegenüber dem Kreiselrotor wurden normalerweise die Federgelenke ein Moment auf den Kreiselrotor hervorrufen, die diesen veranlassen, seine Bezugslage im Raum zu ändern. Bei einem dynamisch abgestimmten Kreisel ist die Abstimmung so gewählt, daß die durch die Federgelenke hervorgerufenen Momente durch dynamische Momente kompensiert werden. Diese dynamischen Momente werden durch eine oszillierende Bewegung des Kardanringes verursacht, die bei der Auslenkung des Kreiselgehäuses relativ zu dem raumfesten Kreiselrotor auftritt. ^ Λ- to form. In such dynamically tuned gyroscopes, the rotor is connected to the drive shaft of the motor via a cardan ring, which is connected on the one hand to the drive shaft via a spring joint and on the other hand to the rotor via a spring joint arranged perpendicular to it. When the gyro housing was deflected in relation to the gyro rotor, the spring joints would normally cause a moment on the gyro rotor, which would cause it to change its reference position in space. In the case of a dynamically tuned gyro, the tuning is chosen so that the moments caused by the spring joints are compensated for by dynamic moments. These dynamic moments are caused by an oscillating movement of the gimbal that occurs when the gyro housing is deflected relative to the fixed gyro rotor.

Durch die DE-OS 25 ^5 025 ist ein Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen bekannt mit einem nordsuchenden Merisiankreisel zur Bestimmung der Nordrichtung und einem nach dem Meridiankreisel ausrichtbaren freien Kreisel als Kursreferenzgerät. Ein Geschwindigkeitsgeber erzeugt ein der Fahrgeschwindigkeit proportionales Signal. Ein Rechner bestimmt aus dem Kurswinkel des Kursreferenzgeräts und dem Signal des Geschwindigkeitsgebers die Position des Fahrzeugs. Aus den Positionssignalen wird ein von der geographischen Breite abhängiges Korrektursignal erzeugt und auf den freien Kreisel aufgeschaltet oder im Rechner berücksichtigt, welches die durch die Erddrehung bedingte Auswanderung des freien Kreisels relativ zu dem erdfesten Koordinatensystem kompensiert.DE-OS 25 ^ 5 025 is a navigation device for Navigation of land vehicles known with a north-looking merisian gyro to determine the north direction and a free gyro that can be aligned with the meridian gyro as a course reference device. A speed sensor generates a signal proportional to the driving speed. A computer determined from the course angle of the course reference device and the signal of the speed sensor the position of the vehicle. A correction signal that is dependent on the geographical latitude is generated from the position signals and switched to the free gyro or taken into account in the computer, which is caused by the rotation of the earth Emigration of the free gyro compensated for relative to the earth-fixed coordinate system.

Bei einer praktischen Realisierung eines solchen Navigationsgeräts wurde ein dynamisch abgestimmter Kreisel als zweiachsiger Lagekreisel verwendet. EsIn a practical implementation of such a navigation device a dynamically tuned gyro was used as a two-axis attitude gyro. It

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zeigte sich dabei, bei üblicherweise einwandfreier Funktion des Navigationsgeräts, daß bei einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs der Lagekreisel aus ceiner richtigen Lage auszuwandern begann und gegen den Anschlag lief.it was found, with the navigation device usually functioning perfectly, that with a certain Driving speed of the vehicle the gyro began to wander out of a correct position and ran against the stop.

Ähnliche Erscheinungen wurden auch bei anderen Anwendungen dynamisch abgestimmter Lagekreisel beobachtet.
10
Similar phenomena have also been observed in other applications of dynamically tuned attitude gyros.
10

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Auswandern des Lagekreisels zu vermeiden.The invention is based on the object of avoiding such a migration of the position gyro.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem dynamisch abgestimmten Lagekreisel der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß das Signal des ersten Abgriffs über ein im wesentlichen differenzierendes Dämpfungsnetzwerk auf den um die erste Eingangsachse wirksamen Drehmomenterzeuger geschaltet .ist.According to the invention, this task becomes dynamic in the case of a matched position gyro of the type mentioned above solved in that the signal of the first Tap via an essentially differentiating attenuation network on the one around the first input axis effective torque generator is switched.

Die Erfindung beruht auf einer Untersuchung der Ursachen des geschilderten Störeffekts und der Erkenntnis, daß hierfür ungedämpfte Nutationsschwingungen verantwortlich sind, die zu Resonanz angeregt werden.The invention is based on an investigation of the causes of the disruptive effect described and the knowledge that this undamped nutation vibrations are responsible, which are stimulated to resonance.

Die Erfindung sieht eine Beschaltung des Lagekreisels vor, welche einerseits die Nutationsschwingungen dämpft aber andererseits die für die Funktion wichtigen Eigenschaften des Lagekreisels unbeeinflußt läßt.The invention provides a circuit for the position gyro before, which on the one hand dampens the nutation vibrations but on the other hand those which are important for the function Properties of the position gyro are unaffected.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the invention is shown below with reference to the accompanying drawings explained in more detail.

Pig· 1 zeigt schematisch den Aufbeu einesPig · 1 schematically shows the structure of a

zweiachsigen Lagekreisels.two-axis attitude gyro.

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Fig. 2 ist ein idealisiertes BlockdiagrammFigure 2 is an idealized block diagram

und veranschaulicht die Wechselwirkung der Momente und Auslenkungen um die beiden Eingangsachsen.and illustrates the interaction of moments and deflections around the two input axes.

Fig. 3. ist eine perspektivische, schematische Darstellung eines dynamisch abgestimmten zweiachsigen Lagekreisels.Fig. 3 is a perspective, schematic Representation of a dynamically coordinated two-axis attitude gyro.

Fig. U- ist ein Längsschnitt durch eine konstruktive Ausführung eines dynamisch abgestimmten zweiachsigen LagekreiselsFig. U- is a longitudinal section through a structural design of a dynamically coordinated two-axis position gyro

Fig. 5 zeigt die Anordnung eines solchen . Lagekreisels in einem KursreferenzFig. 5 shows the arrangement of such. Gyro in a course reference

gerät.device.

Fig. 6 zeigt den Aufbau des Dämpfungsnetzwerks.
20
Fig. 6 shows the structure of the damping network.
20th

Fig. 7 zeigt als Blockdiagramm die Art und Anordnung des Dämpfungsnetzwerks in einem Kursreferenzgerät.7 shows as a block diagram the type and arrangement of the damping network in FIG a course reference device.

in Fig. 1 ist zum besseren Verständnis und zur Definition der verwendeten Bezeichnungen schematisch ein zweiachsiger Lagekreisel dargestellt. Der Kreiselrotor 10 läuft um seine Drallachse 12 um. Mit H ist der Drall bezeichnet. Der Kreiselrotor 10 ist um eine' zu der Drallachse 12 senkrechte Achse. 1A- in einem Innenrahmen 16 gelagert. Der Innenrahmen 16 ist um eine zu der Achse 14 senkrechte Achse 18 in einem Kreiselgehäuse 20 gelagert.in Fig. 1 is for better understanding and definition of the designations used, a two-axis position gyro is shown schematically. The gyro rotor 10 revolves around its twist axis 12. The twist is denoted by H. The gyro rotor 10 is around a ' to the twist axis 12 perpendicular axis. 1A- in one Inner frame 16 stored. The inner frame 16 is in one about an axis 18 perpendicular to the axis 14 Centrifugal housing 20 stored.

Die Achse 18 bildet die erste Eingangsachse oder x-Achse des Lagekreisels. Die Achse 14 bildet die zweite Eingangsachse oder y-Achse des Lagekreisels.The axis 18 forms the first input axis or x-axis of the position gyro. The axis 14 forms the second input axis or y-axis of the attitude gyro.

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Auf der ersten Eingangsachse 18 sitzt ein erster Lageabgriff 22 sowie ein erster Drehmomenterzeuger Auf der zweiten Eingangsachse 14 sitzt ein zweiter Lageabgriff 26 und ein zweiter DrehmomenterzeugerA first position tap 22 and a first torque generator are seated on the first input axis 18 A second position tap 26 and a second torque generator are seated on the second input axis 14

Mit Mm und M^ sind die um die erste Eingangsachse 18 bzw. die zweite Eingangsachse 14 wirkenden Momente bezeichnet, α und P sind die Auslenkungen des Gehäuses 20 gegenüber dem inertialen Raum um die erste bzw. die zweite Eingangsachse 18 bzw. 14. An den Abgriffen 22 und 26 werden Abgriffsignale «. bzw. β . abgegriffen. Die Auslenkungen des Kreiselrotors 10 gegenüber dem inertialen Räum um die erste bzw. zweite Eingangsachse 18 bzw. 14 sind mit «R The moments acting around the first input axis 18 and the second input axis 14 are denoted by Mm and M ^, α and P are the deflections of the housing 20 relative to the inertial space around the first and the second input axis 18 and 14, respectively Taps 22 and 26 become tap signals. or β . tapped. The deflections of the gyro rotor 10 with respect to the inertial space around the first and second input axis 18 and 14 are denoted by « R

bzw. ß -n bezeichnet.or ß -n denotes.

Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen den Momenten Mm , Mrn und den Auslenkungen a , P sowie <* Ώ, Bn Fig. 2 shows the relationship between the moments M m , M rn and the deflections a , P and <* Ώ , B n

XX IJXX IJ ti r Kti r K

und β β . Eine Auslenkung P„ des Kreiselrotors 10 um die zweite Eingangsachse oder y-Achse bewirkt ein Moment um die erste Eingangsachse oder x-Achse mit einer Übertragungsfunktion Hs, und umgekehrt bewirkt eine Auslenkung ■ R des Kreiselrotors 1.0 um die erste Eingangsachse oder x-Achse ein Moment um die zweite·Eingangsachse oder y-Achse mit der gleichen Übertragungsfunktion. Darin ist H, wie gesagt, der Drall und s der Laplace-Operator. Ein Moment Mm oder Μφ um eine Eingangsachse bewirkt eine Auslenkung α R bzw. PR um die gleiche Eingangsachse mit den Übertragunpsfunktionenand β β . A deflection P "of the gyro rotor 10 about the second input axis or y-axis causes a moment about the first input axis or x-axis with a transfer function Hs, and vice versa causes a deflection ■ R of the gyro rotor 1.0 about the first input axis or x-axis Moment about the second input axis or y-axis with the same transfer function. In this, H is, as I said, the twist and s the Laplace operator. A moment M m or Μφ about an input axis causes a deflection α R or P R about the same input axis with the transfer functions

bzw-respectively-

V I s2 VI s 2

x ' y x 'y

BAD ORSai^ÄBAD ORSai ^ Ä

20332812033281

wobei I und I die Trägheitsmomente um die x- bzw. χ ywhere I and I are the moments of inertia around the x and χ y, respectively

y-Achse sind. Die Abgriffsignale liefern die Differenzen β-·« bzw. P- β R der Drehbewegungen von Gehäuse 20 und Kreiselrotor 10 gegenüber dem
inertialen Raum.
y-axis are. The tap signals supply the differences β- · «or P- β R of the rotary movements of the housing 20 and the gyro rotor 10 with respect to the
inertial space.

Wenn um die Eingangsachsen 18 und 14 keine Momente Mg, , My wirken, sind α R = P R = 0, und die Abgriff signale · . und P . liefern unmittelbar die
Drehbewegungen α bzw. P des Kreiselgehäuses 20 gegen über dem inertialen Raum.
If there are no moments Mg,, My acting around the input axes 18 and 14, α R = P R = 0, and the tap signals ·. and P. immediately deliver the
Rotational movements α and P of the gyro housing 20 with respect to the inertial space.

Durch immer vorhandene Unvollkommenheiten des Lagekreisels sowie durch Umgebungseinflüsse treten jedoch stets Störmomente auf, die eine ungedämpfte charakteristische Schwingung des zweiachsigen Lagekreisels, die sog. "Nutationsschwingung", anregen. Diese
Nutationsschwingung hat die Frequenz
However, due to imperfections in the gyro that are always present as well as due to environmental influences, disturbance torques always occur which stimulate an undamped characteristic oscillation of the two-axis gyro, the so-called "nutation oscillation". These
Nutation vibration has the frequency

(Ό - „ - (Ό - " -

Diese durch die Nutationsschwingung in den Abgriffsignalen des Lagekreisels auftretenden Schwingungs-This oscillation caused by the nutation oscillation in the pick-up signals of the position gyro

anteile werden üblicherweise durch Kammfilter ausgefiltert. Das aus Kreiselrotor 10 und Innenrahmen 16 bestehende System führt diese Schwingungen tjedoch ausparts are usually filtered out by comb filters. The system consisting of the gyro rotor 10 and the inner frame 16, however , carries out these vibrations t

Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Dar-Fig. 3 is a schematic perspective view

stellung eines dynamisch abgestimmten, zweiachsigen Lagekreisels.setting of a dynamically coordinated, two-axis attitude gyro.

Der Lagekreisel 30 enthält einen gehäusefesten MotorThe position gyro 30 contains a motor fixed to the housing

32 mit einer langgestreckten Antriebsachse 3^· Mit 3532 with an elongated drive shaft 3 ^ · With 35

der Antriebsachse 34 ist ein Kardanring 36 über ein inneres Federgelenk 38 verbunden. Der Kreiselrotor ist wiederum mit dem Kardanring 36 über ein äußeres, zu dem inneren senkrechtes Federgelenk 42 verbunden.the drive axle 34 is a gimbal ring 36 over a inner spring joint 38 connected. The gyro rotor is in turn connected to the cardan ring 36 via an outer, connected to the inner perpendicular spring hinge 42.

-A-Hinsichtlich der kinematischen Verhältnisse entspricht das innere Federgelenk 38 der Eingangsachse 18 von Fig. 1,der Kardanrahmen 36 dem Innenrahmen 16 und das äußere Federgelenk 42 der zweiten Eingangsachse 14. Die Antriebsachse 34 des Motors 32 ist mit diesem gehäusefest gelagert und erfüllt gleichzeitig die Funktion des "Kreiselgehäuses" in der schematischen Darstellung von Fig. 1 und des Rotorantriebs.'Das System ist in bekannter Weise so abgestimmt, daß die von den Federgelenken 38 und 42 durch deren Federkraft auf den Kreiselrotor 40 ausgeübten Momente kompensiert werden durch dynamische Momente, welche durch eine oszillierende Bewegung des Kardanringes 36 bei Auslenkung des Kreiselgehäuses 44 relativ zu dem raumfesten Kreiselrotor 40 hervorgerufen werden. -A- With regard to the kinematic conditions, the inner spring joint 38 corresponds to the input axis 18 of FIG. 1, the cardan frame 36 to the inner frame 16 and the outer spring joint 42 to the second input axis 14. The drive axis 34 of the motor 32 is mounted fixed to the housing with this and fulfills at the same time the function of the "gyro housing" in the schematic representation of Fig. 1 and the rotor drive. The system is coordinated in a known manner so that the moments exerted by the spring joints 38 and 42 by their spring force on the gyro rotor 40 are compensated for by dynamic moments which are caused by an oscillating movement of the gimbal ring 36 when the gyro housing 44 is deflected relative to the fixed gyro rotor 40.

Der konstruktive Aufbau eines solchen dynamisch abgestimmten Lagekreisels 30 ist in Fig. -4 in einem Längsschnitt dargestellt. An dem Kreiselgehäuse sitzt der Motor 32 mit einem außenliegenden Stator 46 und einem innenliegenden Rotor 48. Der Rotor ist mit der Antriebsachse 3^ über Lager 50, 52 im Gehäuse 44 gelagert. An dem dem Motor 32 abgewandten Ende der Antriebsachse ist über die (nicht dargestellte) Federgelenk- und Kardanringordnung der Kreiselrotor 40 gelagert. Die Lage des Kreiselrotors 40 relativ zu dem Kreiselgehäuse 44 wird in zwei zueinander senkrechten Ebenen durch Abgriffe 5^ abgegriffen, die in ihrer Funktion den Abgriffen 22 und 26 von Fig. 1 entsprechen* Außerdem sind Drehmomenterzeuger 56 vorgesehen, durch welche in bekannter Weise Drehmomente um die beiden zueinander senkrechten Eingangsachsen ausübbar sind und welcheThe structural design of such a dynamically coordinated position gyro 30 is shown in FIG Longitudinal section shown. The motor 32 with an external stator is seated on the gyro housing 46 and an internal rotor 48. The rotor is connected to the drive axle 3 ^ via bearings 50, 52 in the Housing 44 mounted. At the end of the drive axle facing away from the motor 32, the (not shown) Spring joint and gimbal arrangement of the gyro rotor 40 supported. The location of the gyro rotor 40 relative to the gyro housing 44 is tapped in two mutually perpendicular planes by taps 5 ^, which correspond in their function to the taps 22 and 26 of FIG. 1 * In addition, they are torque generators 56 is provided, through which, in a known manner, torques about the two to one another vertical input axes are exercisable and which

*" den Drehmomenterzeugern 24 und 28 der schematischen Darstellung von Fig. 1 entsprechen.* "the torque generators 24 and 28 of the schematic 1 correspond to the representation of FIG.

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In den Momentengleichungen für die beiden Eingangsachsen, x-Achse und y-Achse, dargestellt im gehäusefesten System treten unter anderem die am Beispiel der x-Achse in Gleichung (2) angegebenen Glieder auf:In the moment equations for the two input axes, x-axis and y-axis, shown in the housing fixed In the system, the terms specified using the example of the x-axis in equation (2) occur:

(2) σ ΜΤχ = 2c ( β A cos 2 ω t + ß A sin 2 ω t) +(2) σ Μ Τχ = 2c (β A cos 2 ω t + ß A sin 2 ω t) +

Dabei ist "c" eine Restfederkonstante des Federgelenks 38 (Fig· 3) infolge nicht exakter dynamischer Abstimmung des Lagekreisels mit einem Kardanring 36^ und ω ist die Kreisfrequenz des Kreiselrotors 40."C" is a residual spring constant of the spring joint 38 (FIG. 3) as a result of the imprecise dynamic coordination of the position gyro with a cardan ring 36 ^ and ω is the angular frequency of the gyro rotor 40.

Angenommen durch Winkelvibration tritt eine sinusförmige Gehäuseauslenkung derart auf, daßAssuming angular vibration results in a sinusoidal housing deflection such that

(3) »A = αο sin(3) » A = α ο sin

so führt das zu folgendem Momentenanteil in Gleichung (2):this leads to the following torque component in equation (2):

= C * α 0 Sin (2w+Q) - c «o Sin = C * α 0 Sin ( 2w + Q ) - c «o Sin

Die Nutationsschwingung des Lagekreisels 30 ist ungedämpft. Jede periodische Anregung von außen mit der Frequenz ω „ der Nutationsschwingungen erhöht deren Amplitude weiter. Die Nutationsschwingung des Lagekreisels wird dann in ihrer Eigenresonanz angeregt, wodurch wegen der fehlenden Dämpfung die Auslenkung dec Krei;;elrotors 40 ständig ansteigt, bis der Kreiseirc tor fegen die Anschläge läuft.The nutation oscillation of the position gyro 30 is undamped. Every periodic excitation from outside with the frequency ω "of the nutation vibrations increases them Amplitude further. The nutation oscillation of the position gyro is then excited in its natural resonance, which causes the deflection due to the lack of damping dec circle ;; elrotors 40 increases steadily until the Kreisirc tor sweeping the stops is running.

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Die Nutationsfrequenz ω N ist bei den hier betrach teten, dynamisch abgestimmten Lagekreiseln kleiner als die doppelte Kreisfrequenz ω des Kreiselrotors 40. Deshalb kann eine Anregung dieser Nutationsfrequenz durch den Momenteriantoil nrit der Frequenz (2ω -Q) stattfinden.WirdThe nutation frequency ω N is less than twice the angular frequency ω of the gyro rotor 40 in the dynamically tuned position gyros under consideration here

(5) Q = 2 ω - ω Ν (5) Q = 2 ω - ω Ν

so ergibt sichso it turns out

(6) ■ (2 ω - Q ) = ω Ν.(6) ■ (2 ω - Q) = ω Ν .

Wenn also das Kreiselgehäuse 44 winkelmäßige Schwingungen mit der durch Gleichung (5) gegebenen Frequenz Q ausführt, treten um die x-Achse Störmomente auf, deren Frequenz, gleich der Nutationsfrequenz ω N ist. Die ungedämpfte Nutationsschwingung wird in Resonanz erregt, was die vorstehend geschilderten Folgen hat.If the gyro housing 44 executes angular vibrations at the frequency Q given by equation (5), disturbance torques occur around the x-axis, the frequency of which is equal to the nutation frequency ω N. The undamped nutation oscillation is excited in resonance, which has the consequences described above.

Die Größenordnung der Frequenz ß soll an einem Zahlenbeispiel erläutert werden:The order of magnitude of the frequency ß should be based on a numerical example explained:

Bei einem verwendeten zweiachsigen Lagekreisel istWhen a two-axis attitude gyro is used

-1-1

ω w = 2 ir * 461 sec , 30 ω w = 2 ir * 461 sec, 30th

ω = 2 π * 240 sec"1 oderω = 2 π * 240 sec " 1 or

2 ω = 2 η ' 480 sec"1.2 ω = 2 η ' 480 sec " 1 .

Daraus ergibt sichThis results in

Q= 2» - ω N = 2π * 19 sec"1,Q = 2 »- ω N = 2π * 19 sec" 1 ,

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Da Anregungsfrequenzen von 19 Hertz in der Praxis durchaus zu erwarten sind, ergeben sich in vielen Fällen mit Geräten, die derartige Lagekreisel als Sensoren enthalten, dynamische Probleme. Beispielsweine wurde bei einem Fahrzeugnavigationsgerät nach Art der DE-OS 25 45 025, das in einem Kettenfahrzeug benutzt wurde, ein Auswandern des Lagekreiselfi beobachtet, wenn die sich aus der Länge eines Kettenglieds und der Fahrzeuggeschwindigkeit ergebende Frequenz den Wert von 19 Hertz erreichte.Since excitation frequencies of 19 Hertz are to be expected in practice, this results in many Cases with devices that contain such attitude gyros as sensors, dynamic problems. Sample wines was in a vehicle navigation device according to the type of DE-OS 25 45 025, which is in a tracked vehicle was used, an emigration of the Lagekreiselfi was observed when extending from the length of a Chain link and the vehicle speed resulting frequency reached the value of 19 Hertz.

Da os sich bei der geschilderten Erscheinung um einen systematischen Effekt handelt, kann dieser bei dynamisch abgestimmten Lagekreiseln mit nur einem Kardanring nicht ausgeschaltet werden. Die einzige Gegenmaßnahme könnte darin bestehen, die Auswirkung dieses Effekts dadurch zu reduzieren, daß die Nutationsfrequenz durch äußere Beschaltung gedämpft wird. Dabei muß aber Sorge getragen werden, daß der Kreisel seine Eigenschaft als Lagekreisel mit der Übertragungsfunktion "1" zwischen β und<^. bzw. ß und ßA(Fig. 2) weitestgehend beibehält. Auch muß gewährleistet sein, daß der Lagekreisel z.B. in einem Fahrzeugnavigationssystem nach der DE-OS 25 45 das richtige Nachführverhalten zeigt, wenn er zur Berücksichtigung der Erddrehung durch ein Nachführsignal, wie oben beschrieben, in der "Gitter-Nord"-Richtung gehalten werden soll.Since os is a systematic effect in the described phenomenon, it cannot be switched off with dynamically coordinated position gyros with only one gimbal ring. The only countermeasure could be to reduce the impact of this effect by attenuating the nutation frequency through external wiring. Care must be taken to ensure that the gyro is a position gyro with the transfer function "1" between β and <^. or ß and ß A (Fig. 2) largely retained. It must also be ensured that the gyro shows the correct tracking behavior, for example in a vehicle navigation system according to DE-OS 25 45, if it is to be kept in the "grid north" direction to take into account the rotation of the earth by a tracking signal, as described above .

Es hat sich gezeigt, daß eine solche Beschaltung möglich ist (allerdings auch nur eine). Diese ist in den Figuren 5 bis 7 dargestellt.It has been shown that such a circuit is possible (but only one). This is shown in FIGS.

In Tig. .Γ· ist scheraatisch-perspektivinch ein Kurs- ·" reffrenzperät mit einem zweiachsigen, dynamisch abgesiimmten Lagekreisel nach Art von Fig. 4 dargestellt.In Tig. . · Γ is scheraatisch perspective inch · a share price "reffrenzperät with a biaxial dynamically abgesiimmten attitude gyro in the manner of Fig. 4.

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Das Kursreferenzgerät enthält einen Außenrahmen 58, der um eine Achse 60 in einem Gerätegehäuse 62 drehbar gelagert ist. In dem Außenrahmen 58 ist ein Innenrahmen 64- um eine zu der Achse 60 senkrechte Achse drehbar gelagert. In dem Innenrahmen 64 ist eine Plattform 68 um eine zu den Achsen 60 und >■■>& senkrechte, im wesentlichen vertikale Azimutachse 70 drehbar gelagert. Die Plattform 68 ist durch einen Azimut-Servomotor 72 um die Azimutachse 70 verdrehbar.The course reference device contains an outer frame 58 which is rotatably mounted about an axis 60 in a device housing 62. An inner frame 64 is mounted in the outer frame 58 so as to be rotatable about an axis perpendicular to the axis 60. In the inner frame 64, a platform 68 is rotatably mounted about an essentially vertical azimuth axis 70 which is perpendicular to the axes 60 and>■■>&. The platform 68 can be rotated about the azimuth axis 70 by an azimuth servomotor 72.

Auf der Plattform 68 ist der Lagekreisel 3() so angeordnet, daß die Drallachse H horizontal und im wesentlichen radial zur Azimutachse 70 verläuft, die x-Achse vertikal angeordnet ist und die y-Acbse waagerecht senkrecht zu Drall- und x-Achse liegt. The position gyro 3 () is arranged on the platform 68 in such a way that the spin axis H runs horizontally and essentially radially to the azimuth axis 70, the x-axis is arranged vertically and the y-axis is horizontally perpendicular to the spin and x-axes.

Auf der Plattform 68 sitzt weiterhin ein Servomotor 74·» durch den das Gehäuse 4-4- des Lagekreisels oO um die y-Achse verdrehbar ist.
20
A servomotor 74, by means of which the housing 4-4- of the position gyro oO can be rotated about the y-axis, is also seated on the platform 68.
20th

Wie aus Pig. 5 und 7 ersichtlich ist, ist das Signal des x-Abgriffs 54- A über einen Vorverstärker 76, einen Demodulator 78 und ein geeignetes Netzwerk 80, was in Fig. 5 durch den Verstärker 82 angedeutet ist, auf den Azimut-Stellmotor 72 geschaltet. Das Signal des y-Abgriffs 54- B ist über einen Vorverstärker 8^, einen Demodulator 86 und ein Netzwerk 88 auf den Servomotor 74· geschaltet. Auf diese Weise wird das Gehäuse 44 dem Kreiselrotor 4-0 stets nachgeführt. Der Kreiselrotor 4-0 bleibt raumfest in Bezug auf den inertialen Raum. Durch ein Moment auf den um die y-Achse wirk-' samen Momentengeber 56 B kann die Drallachne H mit einer Winkelgeschwindigkeit gegenüber dem inertialen Raum um die x-Achse ausgelenkt werden, die den Ein-Like from Pig. 5 and 7 is the signal of the x-tap 54-A via a preamplifier 76, a Demodulator 78 and a suitable network 80, which is indicated in FIG. 5 by the amplifier 82, to the Azimuth servomotor 72 switched. The signal of the y-tap 54- B is via a preamplifier 8 ^, a Demodulator 86 and a network 88 connected to servomotor 74. In this way, the housing 44 the gyro rotor 4-0 is always tracked. The gyro rotor 4-0 remains fixed in space with respect to the inertial one Space. Through a moment on the moment generator 56 B acting about the y-axis, the twist arbor H can with it an angular velocity with respect to the inertial space around the x-axis, which

OD fluß der Erddrehung kompensiert und die Drallachse H in fester Beziehung z.B. zu der "Gitter-Nord"- Richtung eines UTM-Gitters hält. Von einem um die y-Achse empfindlichen (in Pig. 5 nicht dargestellten) Lotsen- OD compensates the flow of the earth's rotation and keeps the twist axis H in a fixed relationship, for example, to the "grid north" direction of a UTM grid. From a pilot sensitive about the y-axis (not shown in Pig. 5)

. sor 90 (Fig. 7)» z.B. einer Libelle, wird ein Signal über einen Demodulator 92 und ein Filter 94- auf den um die x-Achse wirksamen Drehmomenterzeuger 56 A gegeben. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Drallachse des Lagekreisels 30 stets horizontal ist. Der bisher beschriebene Aufbau des Kursreferenzgeräts ist an sich bekannt.. sor 90 (Fig. 7) »e.g. a dragonfly, a signal via a demodulator 92 and a filter 94- the torque generator 56 A effective about the x-axis is given. This ensures that the The spin axis of the position gyro 30 is always horizontal. The structure of the course reference device described so far is known per se.

Zur Dämpfung der Nutationsschwingungen ist nun das Signal des um die x-Achse wirksamen Abgriffs 5^- A über ein Dämpfungsnetzwerk 96 ebenfalls auf den um die x-Achse wirksamen Drehmomenterzeuger 56 A geschaltet. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, wird das durch den Vorverstärker 76 vorverstärkte_und durch den Demodulator 78 demodulierte Abgriffsignal « .For damping the nutation vibrations, the signal from the tap effective around the x-axis is now 5 ^ - A Also connected via a damping network 96 to the torque generator 56 A which is effective about the x-axis. As can be seen from FIG. 7, this is preamplified by the preamplifier 76 and through the tap signal demodulated by the demodulator 78.

über das Dämpfungsnetzwerk 96 einer Summierschaltung 98 zugeführt und zu dem Signal des Lotsensors 90 addiert, wobei die Summe auf den Drehmomenterzeuger 56 A aufgeschaltet wird.via the attenuation network 96 of a summing circuit 98 and added to the signal of the pilot sensor 90, the sum on the torque generator 56 A is switched on.

Das Dämpfungsnetzwerk 96 ist in Fig. 6 im einzelnen dargestellt.The damping network 96 is detailed in FIG shown.

Eine Eingangsspannung Ug des Dämpfungsnetzwerks 96 liegt über einen Kondensator C und einen ohmschen Widerstand Rg am Eingang eines Operationsverstärkers 100 an. Die Ausgangsspannung U. des Dämpfungsnetz·=· werks 96 am Ausgang des Operationsverstärkers 100 ist über einen Gegenkopplungswider st and R^- auf den Eingang des Operationsverstärkers zurückgeführt.An input voltage Ug of the damping network 96 is connected to the input of an operational amplifier via a capacitor C and an ohmic resistor Rg 100 on. The output voltage U. of the damping network = plant 96 at the output of the operational amplifier 100 is via a negative feedback resistor and R ^ - on the Input of the operational amplifier fed back.

Die Übertragungsfunktion dieses Dämpfungsnetzwerks 96 istThe transfer function of this damping network 96 is

(7) UA (s) KKC * ε(7) U A (s) K K C * ε

(s) 1+RECs(s) 1 + R E Cs

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wobei s wieder der Laplace-Operator ist. Wennwhere s is again the Laplace operator. if

(8)(8th) wirdwill RE R E C s <£C s <£ 55 ist,is, (9)(9) U.U. Cs)Cs) UE U E (s)(s)

d.h. das Netzwerk 96 hat differenzierenden Charakter und arbeitet bei hinreichend hoher Eckfrequenz des Nenners als idealer Differenzierer und damit als ideales Dämpfungsglied.i.e. the network 96 has a differentiating character and operates at a sufficiently high corner frequency of the Denominator as an ideal differentiator and thus as an ideal attenuator.

Wie oben bereits erwähnt, darf durch die Wahl des Dämpfungsnetzwerks das normale Verhalten des Lagekreisels 30 nicht zu stark verfälscht werden. Es haben sich Dämpfungen für die Nutationsfrequenzen vonAs mentioned above, the choice of the damping network allows the normal behavior of the attitude gyro 30 cannot be falsified too much. There have been attenuations for the nutation frequencies of

2Q 0,1 bis 0,2 als geeignet erwiesen. Für einen Dämpfungs faktor 0,1 ergibt sich die zugehörige Verstärkung V des aus Dämpfungsnetzwerk 96 und Drehmomenterzeuger 56 A gebildeten Dämpfungskreises zu V = 36 ρ cm see. Wird die Zeitkonstante Rx, # 0 hinreichend klein gewählt, so liegt durch den gefundenen Wert von V auch der Wert des Produkts R-^-C fest. Damit ist die Schaltung nach Fig. 6 dimensioniert.2Q 0.1 to 0.2 proved to be suitable. For a damping factor of 0.1, the associated gain V of the damping circuit formed from damping network 96 and torque generator 56 A results in V = 36 ρ cm see. If the time constant R x , # 0 is selected to be sufficiently small, the value of the product R - ^ - C is also determined by the value of V found. The circuit according to FIG. 6 is thus dimensioned.

Claims (2)

PatentansprücheClaims Anordnung zur Dämpfung von Nutationsschwingungen bei dynamisch abgestimmten, zweiachsigen Lagekreiseln mit einer ersten und einer dazu senkrechten zweiten Eingangsachse, einem ersten und einem zweiten Lageabgriff, welche auf Relativbewegungen zwischen Kreiselrotor und Gehäuse um die erste bzw. zweite Eingangsachse ansprechen, und einem Drehmomenterzeuger, der um die erste Eingangsachse wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des ersten Abgriffs (54· A) über ein im wesentlichen differenzierendes Dämpfungsnetzwerk (96) auf den um die erste Eingangsachse (x) wirksamen Drehmomenterzeuger (56 A) geschaltet ist.Arrangement for damping nutation vibrations in dynamically coordinated, two-axis position gyroscopes with a first and a second input axis perpendicular thereto, a first and a second position pick-up, which reacts to relative movements between the gyro rotor and the housing address the first and second input axis, and a torque generator around the first Input axis is effective, characterized in that the signal of the first tap (54 · A) has an essentially differentiating one Damping network (96) on the torque generator effective around the first input axis (x) (56 A) is switched. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
30
2. Arrangement according to claim 1, characterized in that
30th
(a) der Lagekreisel (50) ein Kurskreisel mit horizontaler Drallachse (H) ist und(A) the attitude gyro (50) with a course gyro horizontal twist axis (H) and (b) die erste Eingangsachse (x) vertikal verläuft. (b) the first input axis (x) is vertical. BAD ORIGINALBATH ORIGINAL 3· Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsnetzwerk (96) einen Operationsverstärker (100) enthält auf dessen Eingang eine Eingangsspannung (Up) über die Reihenschaltung eines Kondensators (C) und eines Widerstands (R-g) liegt und dessen Ausgangsspannung, welche die Ausgangsspannung (U.) des Dämpfungsnetzwerks (96) bildet, über einen Gegenkopplungswiderstand (RK) auf den Eingang des Operationsverstärkers (100) zurückgeführt ist.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the damping network (96) contains an operational amplifier (100) at the input of which there is an input voltage (Up) via the series connection of a capacitor (C) and a resistor (Rg) and its output voltage , which forms the output voltage (U.) of the damping network (96), is fed back to the input of the operational amplifier (100) via a negative feedback resistor (R K).
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