DE3141836C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kurs-Lage-Referenzgerät in einem lagestabilisierten Fahrzeug, zur Verwendung als redundant neben einem Hauptgerät vorgesehenes Gerät, mit Drehgeschwindigkeitsfühlern, die auf die Drehgeschwindigkeiten um drei zueinander senkrechte, fahrzeugfeste Achsen ansprechen und Drehgeschwindigkeitssignale liefern, und einem Paar von Beschleunigungsmessern, deren Empfindlichkeitsachsen in Richtung zweier der besagten fahrzeugfesten Achsen verlaufen, und die Längs- bzw. Querbeschleunigungssignale liefern.

Ein Kurs-Lage-Referenzgerät mit Drehgeschwindigkeitsfühlern, die auf die Drehgeschwindigkeiten um Hoch-, Quer- und Längsachse des Fahrzeugs ansprechen, und mit Beschleunigungsmessern, die nach der Längsachse und der Querachse des Fahrzeugs ausgerichtet sind, ist beispielsweise bekannt durch die DE-OS 29 22 415.

Bei dem bekannten Kurs-Lage-Referenzgerät, das bei einem Navigationsgerät für Landfahrzeuge angewandt wird, werden Lageparameter mittels eines Kalman-Filters gewonnen, auf das die fahrzeugfest gemessenen Drehgeschwindigkeiten sowie die Signale der Beschleunigungsmesser aufgeschaltet sind. Es werden weiterhin aus den so gewonnenen Lageparametern und den besagten Drehgeschwindigkeiten der Sinus und der Kosinus des wahren Kurswinkels berechnet. Der Rechneraufwand ist dabei erheblich.

Als Kurs-Lage-Referenzgerät in der Luftfahrt werden vielfach Vertikal- und Kurskreisel verwendet. Diese Geräte haben eine hohe technische Reife erreicht, weisen jedoch einige Nachteile wie Kardanfehler und Einlauf ins Scheinlot auf. Auch sind sie in ihrer Gesamtgenauigkeit begrenzt.

Insbesondere für Anwendungen in der Luftfahrt, wo die Kurs-Lage-Referenzgeräte zur Stabilisierung von Kurs und Lage des Flugzeugs dienen, werden an die Zuverlässigkeit von Kurs-Lage-Referezgeräten hohe Anforderungen gestellt. Diese sind praktisch nur durch Vermehrfachung der Geräte realisierbar. Eine Vermehrfachung üblicher Kurs-Lage-Referenzgeräte, die mit driftarmen - und damit aufwendigen - Kreiseln aufgebaut sind, erfordern jedoch einen ungewöhnlich hohen Aufwand.

Durch die DE-OS 27 44 431 ist ein Navigationsgerät für Landfahrzeuge bekannt, bei dem der Kurswinkel mittels eines gefesselten Meridiankreisels bestimmt wird. Das Kurssignal des Meridiankreisels wird bei nicht horizontaler Ausrichtung des Fahrzeuges korrigiert durch Lagewinkelsignale, die von Beschleunigungsmessern abgegriffen werden.

Die DE-OS 27 52 101 zeigt einen Libellensensor, dessen Signal mit einem weiteren Signal multipliziert wird, wodurch ein zusätzlicher Multiplikator entbehrlich wird.

Die DE-OS 29 28 817 zeigt eine Anordnung bei Kreiselpendeln, die es gestattet, für das Kreiselpendel eine konstante, vom Flugzustand unabhängige Schuler-Abstimmung zu finden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für diese Zwecke ein Kurs-Lage-Referenzgerät zu schaffen, das mit einfacheren und damit billigeren Drehgeschwindigkeitsfühlern aufgebaut ist, bei dem jedoch durch fortschrittliche Signalverarbeitung eine einwandfreie Funktion für den Notbetrieb, d. h. bei Ausfall des Hauptgeräts, gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

• a) die Drehgeschwindigkeitssignale auf eine Koordinatentransformationsschaltung aufgeschaltet sind, die Lagewinkel-Änderungssignale liefert,
• b) die Lagewinkel-Änderungssignale auf je einen Integrator zur Erzeugung von Lagewinkelsignalen geschaltet sind,
• c) die durch die Erdbeschleunigung dividierten, über ein Tiefpaßfilter geleiteten, Längsbeschleunigungssignale in einem ersten Summierpunkt, von den Nickwinkelsignalen zur Bildung eines ersten Differenzsignals subtrahiert werden,
• d) die durch die negative Erdbeschleunigung dividierten, über ein Tiefpaßfilter geleiteten Querbeschleunigungssignale in einem zweiten Summierpunkt von den Rollwinkelsignalen zur Bildung eines zweiten Differenzsignals subtrahiert werden,
• e) die Differenzsignale über je eine Rückführschleife auf den Eingang des zugehörigen Integrators zurückgeführt sind,

wobei Nickwinkel- und Rollenwinkelsignale an den Ausgängen der Integratoren abgreifbar sind.

Die Drehgeschwindigkeitsfühler können drei einachsige Wendekreisel sein. Es können aber auch zwei zweiachsige Wendekreisel verwendet werden. Es ist auch die Verwendung von drei Drehbeschleunigungsmessern möglich, deren Ausgangssignale integriert werden, um Drehgeschwindigkeitsinformationen zu erhalten.

Bei der Erfindung können relativ einfache Drehgeschwindigkeitsfühler verwendet werden. Eine Drift des daraus erhaltenen Lagewinkelsignals für Nick- und Rollbewegungen wird durch Stützung mittels der Beschleunigungsmessersignale kompensiert. Die Beschleunigungsmessersignale, die über ein Tiefpaßfilter geleitet sind, kompensieren die langsame Drift der Lagewinkelsignale, während die Drehgeschwindigkeitsfühler auch auf schnelle Bewegungen reagieren.

Eine Stützung des von dem redundanten Kurs-Lage- Referenzgerät gelieferten Kurswinkels kann dadurch erfolgen, daß

• f) in einem dritten Summierpunkt das durch Integration des Kurswinkel-Änderungssignals erhaltene Kurswinkelsignal von dem Kurswinkelsignal eines Hauptgeräts zur Bildung eines Differenzsignals subtrahiert wird,
• g) das Differenzsignal über eine Rückführschleife auf den Eingang des zugehörigen Integrators zurückgeführt ist und
• h) bei Notbetrieb die Rückführschleife auftrennbar ist.

Es erfolgt dann die Kursstützung des redundanten Kurs- Lage-Referenzgeräts durch das Hauptgerät, solange wie dieses funktiioniert.

Die Rückführschleifen können PI-Verhalten zeigen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung und veranschaulicht die Anordnung der Drehgeschwindigkeitsfühler und der Beschleunigungsmesser.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des Kurs-Lage- Referenzgeräts.

Fig. 3 zeigt die Schaltung zur Bildung der Lagewinkel- Änderungssignale aus den Drehgeschwindigkeitssignalen der Drehgeschwindigkeitsfühler.

Fig. 4 zeigt die Stützung der Roll- und Nickwinkelsignale durch die Quer- bzw. Längsbeschleunigungssignale.

Fig. 5 zeigt die Stützung des Kurswinkelsignals durch das Hauptgerät.

In Fig. 1 sind drei einachsige Wendekreisel 10, 12 und 14 dargestellt, deren fahrzeugfeste Eingangsachsen aufeinander senkrecht stehen und in Richtung der Längs- oder Rollachse X ^F , der Quer- oder Nickachse y ^F bzw. der Hoch- oder Kursachse z ^F verlaufen. Es sind weiterhin ein erster Beschleunigungsmesser 16 fahrzeugfest angeordnet, dessen Empfindlichkeitsachse in Richtung der Längsachse x ^F verläuft, und ein zweiter Beschleunigungsmesser 18, dessen Empfindlichkeitsachse in Richtung der Querachse y ^F verläuft. Die Wendekreisel 10, 12 und 14 liefern Drehgeschwindigkeitssignale p, q und r in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem x ^F , y ^F , z ^F . Die Beschleunigungsmesser 16 und 18 liefern ein Längsbeschleunigungssignal a _x ^F und ein Querbeschleunigungssignal a _y ^F . Wenn das Fahrzeug in Ruhe ist oder sich gleichförmig bewegt, entsprechen die Längs- und Querbeschleunigungssignale den durch die Neigung des Fahrzeugs gegen die Horizontale wirksam werdenden Komponenten der Erdbeschleunigung.

Die Drehgeschwindigkeitssignale p, q und r der einachsigen Wendekreisel 10, 12, 14 werden einer Schaltung 20 (Fig. 2) zugeführt, welche daraus und aus Lagewinkelsignalen ϕ und ϑ Lagewinkel-Änderungssignale und erzeugt, wobei ϕ der Rollwinkel, ϑ der Nickwinkel und ψ der Kurswinkel ist. Die Lagewinkel- Änderungssignale und werden einem Lagefilter 22 zugeführt, das außerdem die Längs- und Querbeschleunigungssignale a _x , a _y von den Beschleunigungsmessern 16 und 18 erhält. Das Lagefilter 22 liefert an Ausgängen 24 und 26 das Rollwinkelsignal ϕ und das Nickwinkelsignal ϑ. Diese Signale ϕ und ϑ werden auch der Schaltung 20 zugeführt. Das Kurswinkel- Änderungssignal wird auf ein Kursfilter 28 geschaltet. Das Kursfilter 28 erhält von einem (nicht dargestellten) Hauptgerät das von diesem erzeugte Kurssignal ψ _P . Das Kursfilter 28 liefert ein Kurssignal ψ.

Die verschiedenen in der Schaltung von Fig. 2 auftretenden Signale können, wie in Fig. 2 dargestellt, herausgeführt und zu Regelzwecken ausgenutzt werden. Die Schaltung 20 von Fig. 2 ist in Fig. 3 im einzelnen dargestellt.

Das Drehgeschwindigkeitssignal r von dem Wendekreisel 14 wird, wie durch Block 30 dargestellt ist, mit dem Nickwinkel ψ multipliziert. Das so erhaltene Produkt wird in einem Summierpunkt 32 zu dem Drehgeschwindigkeitssignal p (des Wendekreisels 10) addiert. Das liefert das Rollwinkel-Änderungssignal

Das Drehgeschwindigkeitssignal r von dem Wendekreisel 14 wird weiterhin, wie durch Block 34 dargestellt ist, mit dem Rollwinkel ϕ multipliziert. Das so erhaltene Produkt wird in einem Summierpunkt 36 von dem Drehgeschwindigkeitssignal q des Wendekreisels 12 subtrahiert. Das liefert das Nickwinkel-Änderungssignal

Das Drehgeschwindigkeitssignal q von dem Wendekreisel 12 wird, wie durch Block 38 dargestellt ist, mit dem Rollwinkel d multipliziert. Das so erhaltene Produkt wird in einem Summierpunkt 40 zu dem Drehgeschwindigkeitssignal r des Wendekreisels 14 addiert. Das liefert das Kurswinkel-Änderungssignal

Das Lagefilter 22 ist in Fig. 4 im einzelnen dargestellt. Das Rollwinkel-Änderungssignal von der Schaltung 20 wird durch einen Integrator 42 integriert und liefert das Rollwinkelsignal ϕ. Das so erhaltene Rollwinkelsignal ϕ, das auch zur Weiterverarbeitung herausgeführt wird, wird in einem Summierpunkt 44 von einem Signal d _B subtrahiert. Das Signal ϕ _B wird aus dem vom Beschleunigungsmesser 18 gelieferten Querbeschleunigungssignal a _y gewonnen, das über einen Tiefpaß 46 geleitet und, wie durch Block 48 angeordnet, durch die negative Erdbeschleunigung -g dividiert wird. In dem Summierpunkt 44 wird ein Differenzsignal gebildet, das über eine Rückführschleife 50 zu einem Summierpunkt 52 am Eingang des Integrators 42 übertragen wird. In dem Summierpunkt 52 wird das über die Rückführschleife 50 übertragene Signal zu dem Rollwinkel- Änderungssignal addiert. Die Rückführschleife 50 zeigt PI-Verhalten. Das Differenzsignal wird mit einem konstanten Faktor K₁, dargestellt durch Block 54, multipliziert. Das so erhaltene Signal wird parallel einmal direkt und einmal über einen Integrator 56 mit der Übertragungsfunktion auf einen Summierpunkt 58 übertragen. Die dort gebildete Summe wird auf den Summierpunkt 52 gegeben. Dabei ist "s" die Variable der Laplace-Transformierten.

In gleicher Weise wird das Nickwinkel-Änderungssignal von der Schaltung 20 durch einen Integrator 60 integriert und liefert das Nickwinkelsignal ϑ, das ebenfalls zur Weiterverarbeitung herausgeführt wird. Das so erhaltene Nickwinkelsignal ϑ wird in einem Summierpunkt 62 von einem Signal ϑ _B subtrahiert. Das Signal j _B wird aus dem vom Beschleunigungsmesser 16 gelieferten Längsbeschleunigungssignal a _x gewonnen, das über einen Tiefpaß 64 geleitet und, wie durch Block 66 angedeutet, durch die Erdbeschleunigung g dividiert wird. In dem Summierpunkt 62 wird ein Differenzsignal gebildet, das über eine Rückführschleife 68 zu einem Summierpunkt 70 am Eingang des Integrators 60 übertragen wird. Die Rückführschleife 68 ist in gleicher Weise aufgebaut wie die schon beschriebene Rückführschleife 50 und zeigt ebenfalls PI-Verhalten.

Fig. 5 zeigt den Aufbau des Kursfilters 28 von Fig. 2.

Das Kurswinkel-Änderungssignal von Schaltung 20 wird durch einen Integrator 72 integriert und liefert das Kurswinkelsignal ψ. Das Kurswinkelsignal ψ wird zur Weiterverarbeitung herausgeführt. Außerdem wird das Kurswinkelsignal ψ in einem Summierpunkt 74 von einem Kurswinkelsignal ψ _P subtrahiert, das von dem Hauptgerät geliefert wird. In dem Summierpunkt 74 wird ein Differenzsignal gebildet, das über eine Rückführschleife 76 zu einem Summierpunkt 78 am Eingang des Integrators 72 übertragen wird.

Die Rückführschleife 76 zeigt PI-Verhalten. Das Differenzsignal am Summierpunkt 74 wird mit einem konstanten Faktor P₁, dargestellt durch Block 80, multipliziert. Das so erhaltene Signal wird parallel einmal direkt und einmal über einen Integrator 82 mit der Übertragungsfunktion auf einem Summierpunkt 84 übertragen.

Die dort gebildete Summe wird auf den Summierpunkt 78 gegeben.

Durch einen Schalter 86 ist die Rückführschleife 76 bei Notbetrieb auftrennbar.

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Die Nick- und Rollwinkelsignale dienen zur Lagestabilisierung des Fahrzeugs. Infolgedessen kann davon ausgegangen werden, daß die Nick- und Rollwinkel ϑ und ϕ klein sind. Es kann dann der Sinus gleich dem Winkel und der Kosinus gleich Eins gesetzt werden. Von dieser Annahme geht die Schaltung von Fig. 3 aus.

Die erhaltenen Lagewinkel-Änderungssignale und werden integriert und liefern Roll- und Nickwinkelsignale ϕ und ϑ. Bei Verwendung einfacher und preisgünstiger Wendekreisel 10, 12 würden diese Signale durch Fehler der Wendekreisel eine starke Drift zeigen. Die Beschleunigungsmesser 18 und 16 liefern bei einer Neigung gegen die Horizontale als Signal eine dem Roll- bzw. Nickwinkel proportionale Komponente der Erdbeschleunigung. Sie liefern aber auch Signalanteile, die von Newtonscher Beschleunigung oder Vibrationen des Fahrzeugs herrühren. Wenn man davon ausgeht, daß das Fahrzeug im Mittel in Ruhe oder gleichförmig bewegt ist, dann können diese letzteren Signalanteile durch ein Tiefpaßfilter 46 oder 64 unterdrückt werden. Damit würde von den Beschleunigungsmessern nach Division durch die Erdbeschleunigung g ein den Lagewinkeln entsprechendes Signal abgeleitet. Das Tiefpaßfilter 46 oder 64 unterdrückt aber auch den Einfluß schneller Lagewinkeländerungen, so daß ein solches Signal nicht zur Lagestabilisierung des Fahrzeugs geeignet wäre. Wenn sich aber durch Fehler des Wendekreisels eine Drift des vom Integrator 42 oder 60 gelieferten Roll- oder Nickwinkelsignals ϕ bzw. ϑ einstellt, so läuft dieses Roll- bzw. Nickwinkelsignal gegenüber den vom Beschleunigungsmesser 18 bzw. 16 abgeleiteten Signal d _B bzw. ϑ _B weg. Es tritt ein Differenzsignal auf, das über die Rückführschleife 76 die Drift kompensiert.

Diese Stützung der Wendekreisel 10, 12 im Nick- und Rollkanal ist unabhängig vom Arbeiten des Hauptgeräts, so daß die Nick- und Rollstabilisierung auch bei einem Ausfall des Hauptgeräts sicher gewährleistet ist. Das ist von entscheidender Wichtigkeit.

Die Stützung des Kurswinkelsignals ψ erfolgt, solange das Hauptgerät funktionsfähig ist, durch das Kurswinkelsignal ψ _P des Hauptgeräts. Dadurch wird das vom Integrator 72 gelieferte Kurswinkelsignal ψ über die Rückführschleife 76 ständig dem "richtigen" Kurswinkelsignal ψ _P des Hauptgeräts nachgeführt. So ist sichergestellt, daß das Kurswinkelsignal ψ bei einem Ausfall des Hauptgeräts wenigstens im Zeitpunkt dieses Ausfalls mit dem vom Hauptgerät bis dahin gelieferten Kurswinkelsignal c _P übereinstimmt. Die Rückführschleife 76 wird dann durch den Schalter 86 aufgetrennt.

Das Kurswinkelsignal ψ übernimmt dann die Kursstabilisierung. Es ist möglich, daß dieses Kurswinkelsignal ψ einer Drift unterworfen ist. Diese Kursdrift ist aber weniger kritisch als eine Drift des Roll- oder Nickwinkelsignals, da sie sich nicht wie diese unmittelbar auf den Flugzustand auswirkt.

Claims (4)

1. Kurs-Lage-Referenzgerät in einem lagestabilisierten Fahrzeug, zur Verwendung als redundant neben einem Hauptgerät vorgesehenes Gerät, mit Drehgeschwindigkeitsfühlern, die auf die Drehgeschwindigkeiten um drei zueinander senkrechte, fahrzeugfeste Achsen ansprechen und Drehgeschwindigkeitssignale liefern, und einem Paar von Beschleunigungsmessern, deren Empfindlichkeitsachsen in Richtung zweier der besagten fahrzeugfesten Achsen verlaufen, und die Längs- bzw. Querbeschleunigungssignale liefern, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Drehgeschwindigkeitssignale (p, q, r) auf eine Koordinatentransformationsschaltung (20) aufgeschaltet sind, die Lagewinkel-Änderungssignale  liefert,
• b) die Lagewinkel-Änderungsignale auf je einen Integrator (42, 60) zur Erzeugung von Lagewinkelsignalen geschaltet sind,
• c) die durch die Erdbeschleunigung (g) dividierten, über ein Tiefpaßfilter (64) geleiteten Längsbeschleunigungssignale in einem ersten Summierpunkt (62) von den Nickwinkelsignalen (ϑ) zur Bildung eines ersten Differenzsignals subtrahiert werden,
• d) die durch die negative Erdbeschleunigung dividierten, über ein Tiefpaßfilter (46) geleiteten Querbeschleunigungssignale in einem zweiten Summierpunkt (44) von den Rollwinkelsignalen (ϕ) zur Bildung eines zweiten Differenzsignals subtrahiert werden,
• e) die Differenzsignale über je eine Rückführschleife (68, 50) auf den Eingang des zugehörigen Integrators (60, 42) zurückgeführt sind,

wobei Nickwinkel- und Rollwinkelsignale an den Ausgängen der Integratoren (60, 42) abgreifbar sind.

2. Kurs-Lage-Referenzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• f) in einem dritten Summierpunkt (74) das durch Integration des Kurswinkel-Änderungssignals erhaltene Kurswinkelsignal (ψ) von dem Kurswinkelsignal (ψ _P ) eines Hauptgeräts zur Bildung eines Differenzsignals substrahiert wird,
• g) das Differenzsignal über eine Rückführschleife (76) auf den Eingang des zugehörigen Integrators (72) zurückgeführt ist und
• h) bei Notbetrieb die Rückführschleife (76) auftrennbar ist.

3. Kurs-Lage-Referenzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführschleifen (50, 68, 76) PI-Verhalten zeigen.