DE3230198A1 - Verfahren und vorrichtung zum gyroskopischen suchen der nordrichtung - Google Patents

Description

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DIPL.-tNG. GERHARD PULS (1952-I971) DR.-ING. DIETER BEHRENS DIPL.-ING.; DIPL.-WIRTSCH.-ING. RUPERT GOETZ

D-8000 MÜNCHEN SCHWEIGERSTRASSE 2

telefon: (089)6620 51 telegramm: protectpatent TELEX: J 24 070

13. August 1982

Pat entanmeldung

Anmelder:

SOCIETE DE FABRICATION D'INSTRUMENTS DE MESÜRE (S.F.I.M.)
13, avenue Marcel Ramolfo-Garnier 91300 Massy, Frankreich

Titel:

Verfahren und Vorrichtung zum gyroskopischen Suchen der Nordrichtung

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WUESTHOFF-ν. PECHMANN-BEHRENS-GOETZ »«-""i.««* westhoff (.₉z₇-«_Si«)

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

d,pl.-chem. dr. ε. fre.hekk von pechmann dr.-ing. dieter behrens dipl.-ing.; dipl.-wirt5ch.-ing. rupert goetz

D-8000 MÜNCHEN 90

SCHWEIGERSTRASSE 2 telefon: (089) 66 20 51 telegramm: protectpatent telex: j 24 070

Verfahren und Vorrichtung zum gyroskopischen Suchen der Nordrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gyroskopischen Suchen der Nordrichtung und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung .

Es ist bekannt, zum Suchen der Richtung der lokalen Meridianebene ein Gyroskop zu benutzen. Ein mögliches Verfahren besteht darin, mit einem Wendekreisel einwandfrei waagerechte Ebene abzutasten, bis eine gyrometrische Anzeige Null (oder mit dem Größtwert) erhalten wird, wobei dieses Suchen z.B. durch eine durch das gyrometrische Signal betätigte Steuerung durchgeführt werden kann. Ein anderes Verfahren besteht darin, einen Gyro- oder Kreiselkompaß zu benutzen, bei dem ein Kreiselläufer Drehschwingungen in einer waagerechten Ebene frei ausführen kann. Diese Schwingungen werden durch die auf den Läufer einwirkenden Dreh- bzw. Kreiselmomente hervorgerufen und haben das Bestreben, den Läufer in die lokale Meridianebene zurückzuführen.

Wenngleich diese Systeme hinsichtlich der Genauigkeit der erzielten Messung völlig zufriedenstellend sind, erfordern sie andererseits eine sehr sorgfältige und daher teuere und

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empfindliche mechanische Ausführung, wenn alle Fehlerquellen, insbesonder jene, die durch Reibungen entstehen, so weit wie möglich ausgeschaltet werden sollen. Außerdem dauert das Suchen stets sehr lange, wenn eine gute Genauigkeit angestrebt wird; Meßzeiten von mehreren Minuten oder mehreren zehn Minuten sind durchaus üblich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein völlig neues Verfahren zum Suchen der Nordrichtung sowie eine Vorrichtung eines neuen Typs für seine Durchführung zu schaffen.

Das Suchen der Nordrichtung geschieht erfindungsgemäß auf die Weise, daß dem Rahmen eines Kreisels mittels eines ein- oder mehrphasigen elektrischen Synchronmotors eine ständige Drehbewegung des Drehimpulses des Kreisels in der waagerechten Ebene erteilt wird, gleichzeitig das dieser Drehung entsprechende veränderliche Augenblicksdrehmoment sowie die Stellung des Rotors des Synchronmotors, also des Kreiselrahmens, ausgehend von den elektrischen Augenblicksparametern der Stromversorgung des Motors gemessen wird, und daraus die Zeitpunkte, in denen der Rahmen die Haupthimmelsrichtungen durchläuft, also die Ausrichtung des Motorstators, der mit dem Gehäuse des Nordrichtungssuchers fest verbunden ist, abgeleitet werden.

Der Motor dient sowohl als Antriebsvorrichtung wie als Meßinstrument. Es ist bekannt, daß bei einem Synchronmotor der Schlupfwinkel, der von der aufgenommenen oder der abgegebenen Leistung abhängig ist, sich mit dem Motor- oder Generatormoment ändert. Der Synchronmotor kann also die Aufgabe eines Drehmomentmessers wahrnehmen, und die Messung der Parameter seiner elektrischen Stromversorgung kann in Abhängigkeit vom Schlupfwinkel eine exakte Angabe des Drehmomentes liefern. Je nachdem, ob das Drehmoment ein Antriebs- oder ein Widerstandsmoment ist, tritt der Schlupfwinkel entgegengesetzt zur oder in der Drehrichtung auf bzw. ist die Phasen-

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verschiebung Spannung-Strom ist folglich positiv oder negativ.

Der Motor wird mit einer Sinuswechselspannung von konstanter Größe, konstanter Frequenz und konstanter Phasenlage gespeist. Die Zeitpunkte der Durchgänge durch die lokalen Haupthimmelsrichtungen werden dann auf die Weise bestimmt, daß die Zeitpunkte gesucht werden, in denen die Intensität bzw. die Stromstärke und die Phasenverschiebung Spannung-Strom Null sind oder den Größtwert haben. Zum Bestimmen der vier Haupthimmelsrichtungen genügt somit eine relative Messung der Phasenverschiebung - Nulldurchgang oder Aufsuchen des Größtwertes -. Auf diese Weise ist es möglich, ohne jede absolute Messung der Phasenverschiebung auszukommen und also alle vom Maßstabfaktor herrührenden Ungenauigkeiten, insbesondere die Instrumentenfehler und Eichfehler, auszuschalten.

Außerdem genügt zum Ermitteln der Stellung des Rahmens die Kenntnis der Ausrichtung des Motorläufers. Wenn dessen Drehgeschwindigkeit und der Zeitpunkt bekannt sind, in dem der Schlupfwinkel Null ist, läßt sich die Winkelabweichung der Motorachse von der Nordrichtung bequem bestimmen. Der Motor dient also neben der Erfüllung der Aufgaben als Antriebsvorrichtung und als Drehmomentmesser auch zur Winkelmessung. Somit ist die Verwendung einer zusätzlichen Vorrichtung, z.B. eines Winkelcodierers o.a., entbehrlich.

Der vorstehend beschriebene Nordrichtungssucher ist für die Anwendungsfälle besonders geeignet, bei denen die Nordrichtung sehr rasch mit einer Genauigkeit von einem halben Grad bis zu einigen Grad gefunden werden muß, z.B. für die Ausrichtung von Radargeräten oder die Orientierung bei einem Fahrzeug, insbesondere einem Panzerfahrzeug. Durch seinen einfachen Aufbau ist er besonders robust, und die Umformung aller Meßwerte in elektrische Signale ermöglicht eine Fernablesung und auch jede zweckdienliche Signalverarbeitung.

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Außerdem eignet sich die Erfindung besonders gut zu Wiederholungsmessungen mit nachfolgenden statistischen Berechnungen. Dies ermöglicht eine Verbesserung der meßtechnischen Güte des Nordrichtungssuchers. Jede Umdrehung liefert neue Meßpunkte, die analysiert werden und eine Verbesserung der Genauigkeit des Endergebnisses ermöglichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläuert. Es zeigt: Fig. 1 eine vereinfachte Schrägansicht der Vorrichtung gemäß

der Erfindung,
Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht der Vorrichtung, die in einem Gehäuse 100 aufgenommen ist, dessen Ober- und Unterseiten und 102 als waagerecht angenommen werden. Diese waagerechte Lage kann z.B. dadurch erhalten werden, daß das Gehäuse 100 zuvor waagerecht eingestellt wird.

Das Gehäuse 100 enthält ein Gyroskop 200, zu dem ein Rahmen 210 gehört, der um eine vertikale Achse 220 (Achse OZ) drehantreibbar ist. Der Rahmen 210 trägt einen Kreiselläufer 230, der sich um eine waagerechte Achse 240 dreht. Der Drehimpuls H des Gyroskops oder Kreisels 200 vermag somit eine waagerechte Ebene XOY zu überstreichen.

Der Rahmen 210 wird in seiner Drehbewegung um die vertikale Achse 220 vom Rotor bzw. Läufer eines ein- oder mehrphasigen elektrischen Synchronmotors 300 angetrieben, dessen Ständer mit dem Gehäuse 100 fest verbunden ist. Der Synchronmotor ist an eine Versorgungsschaltung 400 angeschlossen, und die Parameter dieser Versorgung werden mit einer Meßschaltung gemessen. Die Ergebnisse dieser Messungen werden von einer Signalverarbeitungsschaltung 600 analysiert.

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Die Arbeitsweise des vorstehend beschriebenen Nordrichtungssuchers wird anhand Fig. 2 und 3 erläutert.

Die Markierung OXYZ bezeichnet einen Bezugstrieder, der an das Gehäuse 100 gebunden ist und sich daher mit der Erde dreht. Zunächst werde die Ebene XOY einwandfrei waagerecht angenommen. Die Achse OX und der Drehimpuls H des Gyroskops 200 bilden miteinander einen veränderlichen Winkeld , wogegen die Nordrichtung ON, als Richtung der örtlichen Meridianebene, die in der Ebene OXY durch die vertikale Ebene OZ geht, und die Achse OX einen Winkel ß einschließen. Der Vektor der Erddrehung R hat eine waagerechte, nach der Achse ON ausgerichtete Komponente r. Wenn sich der Rahmen 210 in bezug auf das Gehäuse 100 um die Achse OZ dreht, tritt ein Kreiselmoment Γ¹ mit der Achse OZ und dem Wert

Γ = H ♦ r sin (mi -ß)

auf.

Dieses Moment ist eine Sinusfunktion des Winkels °ί , die zu Null wird, wenn der Drehimpuls H in die Meridianebene gemäß der Richtung ON eindringt, wenn also

^=B oder <* = β + T

■φ

ist, und sie ist, als Absolutwert, am größten, wenn H zur Meridianebene rechtwinklig ist:

<* = ß + ξ oder <**= ß + 2Σ\

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Wenn sich H von der Nordrichtung entfernt, ist das Kreisel-

·» moment ein Widerstandsmoment; wenn sich H der Nordrichtung nähert, ist das Kreiselmoment ein Antriebsmoment. Im ersten Falle wirkt der Synchronmotor 300 als Motor, im zweiten Fall als Generator. Im Dauerbetrieb ist die Energiebilanz über eine Umdrehung, von den Reibungen abgesehen, Null; die Leistung, die in der von der Nordrichtung sich entfernenden halben Umdrehung verbraucht wurde, wird in der der Meridianebene sich nähernden halben Umdrehung zurückgegeben.

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Es ist andererseits bekannt, daß das von einem Synchronmotor erzeugte Moment als absolute Lange dargestellt wird durch die Formel

^=M-B- sin ψ ,

worin B das vom Ständer erzeugte magnetische Induktionsdrehfeld ist, M, welches den umlaufenden Magneten kennzeichnet, fest an die Richtung des Motorläufers gebunden ist, und ψ der zwischen B und M eingeschlossene Winkel (Schlupfwinkel) ist. Ein solcher Motor kann auch als Wechselstromerzeuger arbeiten, wobei dann ψ das Vorzeichen wechselt. Weil bei der beschriebenen Anwendung der Mittelwert von γ Null ist, neigen die Momente Γ und f zum gegenseitigen Ausgleich und es gilt:

Hr sin (ti- ß) = MB sin)/, woraus der Wert sin (cc - ß) entnommen werden kann.

Es besteht also eine bestimmte Beziehung zwischen <* und ψ , also zwischen °0 und den Größen der elektrischen Stromversorgung des Synchronmotors 300: Spannung, Strom und Phasenverschiebung Spannung-Strom. Es ist also möglich, die Zeitpunkte zu bestimmen, in denen die Stromstärke und die Phasenverschiebung Null sind oder einen Größtwert haben, d.h. die Zeitpunkte ti und t3, für welche gilt:

- ß = 0

- ß = T,

und die Zeitpunkte t2 und t4, für welche gilt:

- ß = I

- β = 3f

Wenn pt in diesen Zeitpunkten gemessen werden kann, ist auch der gesuchte Wert für ß bekannt.

Vorteilhafterweise ergibt sich die Größe des Winkels durch eine Messung der Phase der Versorgungsspannung in den Zeitpunkten ti bis t4, die, bis auf den Schlupf, in den Winkelwert von o6 umgerechnet wird. Um den Einfluß dieses Schlupfes

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auszuschalten, kann darauf hingewiesen werden, daß dieser Null ist, wenn d - fl = ο und ·* - ß = T gilt. In den Zeitpunkten ti und t3 ist er daher ohne Einfluß auf die Genauigkeit der Messung. In den Zeitpunkten t2 und t4 dagegen ist der Schlupf ψ am größten, jedoch von entgegengesetzter Richtung, weil der Snychronmotor 300 den umlaufenden Rahmen 210 im Zeitpunkt t2 zieht und im Zeitpunkt t4 schiebt. Durch Addition der in diesen beiden Zeitpunkten erhaltenen Meßwerte wird der Einfluß des Schlupfes des Synchronmotors 300 eliminiert.

Andererseits muß darauf hingewiesen werden, daß zwar die Drehgeschwindigkeit des Drehfeldes B konstant ist, weil der Motor ein Synchronmotor ist, diejenige von H jedoch nicht, und zwar wegen der ständigen Veränderung des Schlupfwinkels. Es besteht daher eine Winkelbeschleunigung & ungleich Null, folglich ein ihr proportionales Rotationsträgheitsmoment, das Schwingungen von der Geschwindigkeit um seine Mittellage hervorruft. Durch eine entsprechende Filterung in der elektronischen Meßschaltung 500 und der elektronischen Signalverarbeitungsoder Rechenschaltung 600 ist es möglich, diese Schwingungsstörung auszuschalten.

Weitere Störungen können auch durch die Unwucht des umlaufenden Rahmens 210 verursacht werden. Es besteht die Gefahr, daß diese Unwucht ein Moment von gleichen Eigenschaften wie das von der Drehung der Erde hervorgerufene Moment Γ erzeugt. Sie muß daher durch konstruktive Maßnahmen hinreichend klein gehalten oder rechnerisch ausgeglichen werden. Im letzteren Falle wird vor dem Aufsuchen der Nordrichtung der Rahmen 210 bei stillgesetztem Läufer 230 gedreht; dabei werden die entsprechenden elektrischen Signale in die Rechenschaltung 600 eingespeichert. Diese Signale, die den Auswirkungen des durch die Unwucht hervorgerufenen Momentes entsprechen, werden danach bei der eigentlichen Messung von den erhaltenen Bruttowerten abgezogen.

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Auf gleiche Weise ist es möglich, die den mechanischen Reibungen der Vorrichtung entsprechenden elektrischen Größen einzuspeichern. Diese Instrumentenfehler sind jedoch ohne Einfluß auf das Endergebnis; es werden, wie weiter oben angegeben, nur Relativmessungen und keine Absolutmessungen vorgenommen. Die Korrektur wäre nur notwendig, wenn der Absolutwert des Kreiselmomentes bekannt sein soll, um z.B. eine Information über die geographische Breite zu erhalten.

Die von der SignalVerarbeitungsschaltung 600 durchgeführten statistischen Berechnungen sind durchaus übliche Berechnungen, z.B. eine Gewichtung nach der Methode der kleinsten Quadrate oder nach dem almann-Filterungsverfahren. Diese Verarbeitung kann von einer in den Nordrichtungssucher eingegliederten Einheit, z.B. einem Mikroprozessor, vorgenommen oder als Fernverarbeitung in einem Rechenzentrum insbesondere zeitverschoben durchgeführt werden.

Im Vorstehenden wurde angenommen, daß die Ebene XOY durch vorhergehendes lotrechtes Ausrichten der Achse OZ einwandfrei waagerecht ausgerichtet worden ist. Anderenfalls können die Neigung und die Inklination des Gehäuses 100 entsprechend den Achsen OX und OY mit elektrischen Meßgebern 510 und gemessen werden, deren Signale dann der Signalverarbeitungsschaltung 600 zugeführt werden, um den Wert des Winkels ß auf die waagerechte Ebene zu reduzieren.

Schließlich können Motorständer und Gehäuse 100 so miteinander verbunden sein, daß sie gegeneinander verdrehbar sind, um eine Winkeleinstellmöglichkeit zu schaffen, die durch Instrumentaleichung das Ausschalten eines eventuellen systematischen Fehlers ermöglicht. In einer weiteren Ausgestaltung kann diese Einstellmöglichkeit mit motorischem Antrieb und Fernsteuerung ausgestattet sein. Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit besteht insbesondere darin, die Aufgaben der Versorgungsspannung und -Stromstärke zu vertauschen.

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   D-8000 MÜNCHEN 90

   SCHWEIGERSTRASSE 2

   telefon: (089) 66 20 ji telegramm: protectpatent telex: 524070

   Patentansprüche : 1./ Verfahren zum gyroskopisehen Suchen der Nordrichtung,

   dadurch gekennzeichnet , daß

   - dem Rahmen (210) eines Kreisels (200) mittels eines elektrischen Synchronmotors (300) eine ständige Drehbewegung seines Drehimpulses (H) in einer waagerechten Ebene (OXY) erteilt wird,

   - das auf den Rahmen (210) aufgetragene oder von ihm empfangene Moment ausgehend von den elektrischen Augenblicksparametern der Stromversorgung des Synchronmotors (300) gemessen wird, und

   - ausgehend von diesen Messungen die Zeitpunkte (ti,t2,t3,t4) bestimmt werden, in denen der Rahmen (210) des Kreisels (200) die örtlichen Haupthimmelsrichtungen durchläuft.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Synchronmotor (300) mit einer Sinusspannung von konstanter Größe, konstanter Frequenz und konstanter Phasenlage gespeist wird und die Zeitpunkte (ti, t2,t3,t4) des Durchgangs durch die örtlichen Haupthimmelsrichtungen dadurch bestimmt werden, daß die Zeitpunkte gesucht werden, in denen die Stromstärke und die Phasenverschiebung Spannung-Strom Null sind oder einen Größtwert haben.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Winkelstellung des Rahmens (210) in bezug auf das Gehäuse (100) der Vorrichtung ausgehend von der Phase der Versorgungsspannung gemessen wird.

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4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß außerdem die Werte der gemessenen elektrischen Parameter in dem Augenblick, in dem sie am größten sind, addiert werden, um den Einfluß des Schlupfwinkels (γ) des Synchronmctors (300) in diesen Zeitpunkten auszuschalten.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß beim Messen die Störungen ausgefiltert werden, die durch die Winkelbeschleunigung des Rahmens (210) des Kreisels (200) entstehen.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß in einem vorausgehenden Verfahrensschritt das durch die konstruktive Unwucht hervorgerufene Störsignal dadurch gespeichert wird, daß das Signal eingetragen wird, das beim Drehen des stillgesetzten Kreisels (200) erzeugt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Messungen bei jeder Umdrehung wiederholt und nach statistischen Methoden analysiert werden.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß, falls die Drehebene nicht waagerecht ist, ihre Neigung und ihre Inklination gemessen werden, wobei diese Messungen eine Korrektur der erzielten Ergebnisse ermöglichen.
9. 9. Vorrichtung zum Suchen der Nordrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Kreisel (200), der so angeordnet ist, daß sein Drehimpuls (H) waagerecht ist, und einem den Kreisel (200) tragenden Rahmen (210), der um eine vertikale Achse (OZ)

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   beweglich ist, gekennzeichnet durch

   - einen Synchronmotor (300) für den ständigen Drehantrieb des Rahmens (210) um die vertikale Achse (OZ),

   - eine Einrichtung (Versorgungsschaltung 400) zur elektrischen Stromversorgung des Synchronmotors (300),

   - eine Einrichtung (Meßschaltung 500) zum Messen der Stromversorgungsparameter,

   - eine Einrichtung (Signalverarbeitungsschaltung 600) zum Bestimmen der Winkelstellung des Rahmens (210) in bezug auf die Meridianebene und auf das Gehäuse (100) in Abhängigkeit von diesen Parametern, und

   - Einrichtungen zum Korrigieren der Instrumentenfehler.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (400) zur elektrischen Stromversorgung eine hinsichtlich Größe, Frequenz und Phasenlage stabile Sinuswechselspannung liefert.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Einrichtung (400) zur elektrischen Stromversorgung eine hinsichtlich Größe, Frequenz und Phasenlage stabile Sinuswechselstromstärke liefert.
12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß zum Messen der Neigung und der Inklination der Drehebene des Rahmens (210) Einrichtungen (Meßgeber 510,520) vorgesehen sind, die die Korrektur der durchgeführten Winkelmessungen der Nordrichtung ermöglichen.