DE3346450C2

DE3346450C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung

Info

Publication number: DE3346450C2
Application number: DE19833346450
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Sindlinger
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1983-12-22
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2003-12-23
Also published as: DE3346450A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung, enthaltend

- einen in einem Gestell um eine Hochachse drehbar gelagerten Rahmen,
- einen an dem Rahmen befestigten Drehgeschwindigkeitssensor mit wenigstens einer zur Hochachse senkrecht stehenden Meßachse,
- eine auf dem Rahmen angeordnete Lotfühlereinrichtung aus lediglich einem Beschleunigungsmesser, dessen Meßachse senkrecht sowohl zur Meßachse des Drehgeschwindigkeitssensors als auch zur Hochachse des drehbar gelagerten Rahmens angeordnet ist,
- einen Stellmotor zum Verdrehen des Rahmens um die Hochachse und
- eine Signalaufbereitungseinheit für die Bestimmung der Nordrichtung, welcher die von den Sensoren kommenden Signale zugeführt werden.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 30 19 372 A1 bekannt.

Aus der DE 30 28 649 A1 geht ein selbstnordendes Kurs-Lage- Referenzgerät für ein Fahrzeug hervor. Dieses enthält einen fahrzeugfesten Azimutrahmen, der um eine Azimutachse verdrehbar ist. Der Azimutrahmen definiert ein Koordinatensystem, dessen X-Achse parallel zu einer Drehachse eines Kreisels verläuft. Der Kreisel ist ein dynamisch abgestimmter Kreisel (DAK) mit zwei Eingangsachsen, die je einen Abgriff und mit den Abgriffen überkreuz geschaltete Drehmomenterzeuger aufweisen. Damit ist der Kreisel elektrisch an sein Gehäuse gefesselt. Auf der Azimutachse sitzt ein Stellmotor zum Verdrehen des Azimutrahmens um die Azimutachse. Auf der Azimutachse ist weiterhin ein Winkelstellungsgeber angeordnet. Eine umschaltbare Steuereinrichtung ist von dem Signal des Winkelstellungsgebers beaufschlagt und steuert den Stellmotor so, daß der Azimutrahmen wahlweise in eine 0°-Stellung, in welcher die Kreiseldrallachse parallel zu einer fahrzeugfesten Achse verläuft, in eine 90°-Stellung oder in eine 180°- Stellung verdrehbar ist.

Auf dem Azimutrahmen sind zwei Beschleunigungsmesser angeordnet, die die Neigung des Azimutrahmens sensieren und deren Signale über eine Auswerteeinrichtung ein Korrektursignal für die ermittelte Nordrichtung bilden.

Es ist weiterhin aus der DE 29 48 051 A1 eine nordsuchende Kreiseleinrichtung bekannt, die einen an einem Gehäuse kardanisch gelagerten Pendelkörper enthält. Der Pendelkörper wird zu Beginn eines Meßintervalls vertikal ausgerichtet. Zur Arretierung des Pendelkörpers dient ein sogenannter Lotmagnet, der den Pendelkörper über einen Gummiwulst in einer kalottenförmigen Schale abstützt. Diese Anordnung erfordert jedoch ebenfalls eine erhöhte Anzahl mechanischer Komponenten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung in der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die mit einem möglichst geringen Aufwand an Komponenten eine hohe Genauigkeit erzielt und eine einfache Auswertung der Meßergebnisse gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Schrittmotor zum Verdrehen des Rahmens vorgesehen. Es entfällt dabei ein Winkelgeber, wie er beispielsweise beim Stand der Technik vorgesehen ist. Das Verdrehen des Rahmens in bevorzugten Meßstellungen kann auch durch Festgesperre oder auch durch Grenzkraftgesperre in Verbindung mit einem einfachen Momentengeber erfolgen. Vorteilhaft ist hierbei der zuverlässige und einfache Aufbau. Durch die Verwendung eines gasgelagerten Wendekreisels als Drehgeschwindigkeitsmesser kann die Nordrichtung mit hoher Genauigkeit ermittelt werden.

Auch die Verwendung eines Laserkreisels ist möglich.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der noch angeführten Unteransprüche. Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Prinzipdarstellung der Vorrichtung,

Fig. 2 den Aufbau der Anordnung teilweise im Längsschnitt.

Die Anordnung gemäß Fig. 2 enthält in einem Gehäuse 1 einen Präzessionsrahmen 2, welcher einen um die Spinachse 3 drehbaren Kreiselrotor 4 enthält. Der Präzessionsrahmen 2 ist gegenüber dem Gehäuse 1 mittels einer statischen Gaslagerung, enthaltend ringförmige Axial- und Radialluftspalte 5, 6, um die Ausgangs- bzw. Drehachse 7 drehbar gelagert. Zur Speisung der Lagerung ist im unteren Teil des Gehäuses 1 ein schematisch angedeuteter Verdichter 8 vorgesehen. Es ist weiterhin ein Winkelstellungsabgriff 9 und ein Drehmomenterzeuger 10 vorgesehen. Hiermit wird einerseits die Winkelstellung des Präzissionsrahmens 2 bzw. der Spinachse 3 bezüglich des Gehäuses 1 abgegriffen und andererseits ist ein Fesselmoment um die Drehachse 7 erzeugbar zur Fesselung des Rahmens 2 an eine vorgegebene Nullstellung. Als Antrieb des Kreiselrotors 4 ist ein Motor 11, 12 vorgesehen, welcher bevorzugt als bürstenloser Gleichstrommmotor ausgebildet ist und dessen Kommutierungselektronik 15 im Gehäuse untergebracht ist. Es sind ferner zwischen Gehäuse 1 und Rahmen 2 schematisch dargestellte Stromzuführungsfedern 13 vorhanden. Die gesamte zur Durchführung der Nordung erforderliche Elektronik einschließlich Rechner, Mikroprozessor und Stromversorgung ist außerhalb des Kreiselgehäuses angeordnet.

Die Prinzipdarstellung Fig. 1 zeigt den in Fig. 2 beschriebenen Kreisel mit dessen Gehäuse 1. Das Gehäuse 1 ist in geeigneter Weise auf einem Rahmenkörper 18 angeordnet, auf welchem weiterhin ein Beschleunigungsmesser 19 befestigt ist. Die Meßachse 20 des Kreisels ist orthogonal zur Meßachse 21 des Beschleunigungsmessers ausgerichtet. Gleichzeitig bilden beide Meßachsen 20, 21 mit der Drehachse bzw. Hochachse 22 des Rahmens einen Winkel von jeweils 90°. Die Hochachse 22 ist mit einem Gestell 23 verbunden, wobei über einen Stellmotor 24, beispielsweise einen Schrittmotor, wie aus der DE 29 48 051 A1 bekannt, der Rahmenkörper 18 um die Hochachse 22 gedreht werden kann. Eine hier nicht dargestellte Ansteuer- und Signalelektronik ist mit der einzelnen Komponenten zur Aufbereitung der Meßsignale verbunden.

Zur Bestimmung des Nordrichtungswinkels bzw. des Azimutwinkels Ψ werden nacheinander Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit Ω und der Erdgravitation g in fahrzeugfesten Koordinaten gemessen.

Die erdfesten Bezugskoordinaten X_E, Y_E, Z_E sind so definiert, daß die Achse X_E in der Horizontalebene nach Norden, die Achse Y_E in der Horizontalebene nach Osten und die Achse Z_E in Richtung des lokalen Lotes nach unten zeigen.

Die fahrzeugfesten Koordinaten X_F, Y_F, Z_F entstehen durch drei aufeinanderfolgende Drehungen:

(1) um die Z_E-Achse um einen Azimutwinkel Ψ,
(2) um die neu gebildete Y′-Achse um einen Nickwinkel R,
(3) um die neu gebildete X′′-Achse um einen Rollwinkel Φ.

Die X_F-Achse ist die Fahrzeuglängsachse (oder Rollachse), die Y_F-Achse die Nickachse, die Z_F-Achse die Hochachse (oder Gierachse).

Zwischen dem fahrzeugfesten und dem erdfesten Koordinatensystem besteht die Beziehung

mit der Transformationsmatrix

Die Elemente C_ÿ sind die Richtungskosinusse zwischen der Achse i des fahrzeugfesten Systems und der Achse j des erdfesten Systems.

Mit der vereinfachten Schreibweise s α=sin α und c α= cos α ist die Transformationsmatrix

Die Messung erfolgt nominell, d. h. bei Ausrichtung des Systems in fahrzeugfesten Achsen, in den Achsen X_F und Y_F. Da der Rahmenkörper 18 jedoch gegenüber dem fahrzeugfesten Gestell 23 um einen Winkel γ gedreht sein kann, ergibt sich das Koordinatensystem X_M, Y_M, Z_M der Meßachsen durch eine weitere Drehung um die Z_F-Achse um γ.

Bei Rahmendrehungen, die vorzugsweise γ+0°, 90°, 180° bzw. 270° betragen, ist die Transformation ins Meßachsen- System einfach; es ist nur eine zyklische Vertauschung der Achsen notwendig.

Die Eingangsgrößen des Kreisels sind die Erdrotation ω_E mit ihrem Komponenten im erdfesten System

und für den Beschleunigungsmesser die Gravitationsbeschleunigung g

wobei λ die geographische Breite ist.

Die Meßachse X_K des Kreisels zeigt nominell in die Richtung der X_M-Achse, die Meßachse Y_B des Beschleunigungsmessers nominell in die Richtung der Y_M-Achse. Gemessen wird nacheinander in den Stellungen α₁=0°, α₂=90° und α₃=180°, die durch den Schrittmotor mittels Eingabe einer bestimmten Anzahl von Schrittimpulsen eingestellt werden.

Damit ergibt sich für die vom Kreisel gemessenen Winkelgeschwindigkeiten

ω₁ = C₁₁Ω_H - C₁₃Ω_V + D (10)

ω₂ = C₂₁Ω_H - C₂₃Ω_V + D (11)

ω₃ = -C₁₁Ω_H + C₁₃Ω_V + D (12)

und für die vom Beschleunigungsmesser gemessenen Beschleunigungen

a₁ = -C₂₃ g + B (13)

a₂ = C₁₃ g + B (14)

a₃ = C₂₃ g + B (15)

Dabei sind D die (als konstant vorausgesetzte) Kreiseldrift und B der Nullpunktfehler des Beschleunigungsmessers.

Diese sechs Meßwerte werden gespeichert und in der nachfolgenden Rechnung ausgewertet.

Durch Einsetzen der Komponenten C_ÿ aus Gleichung (3) in die Gleichungen (10) bis (15) erhält man

ω₁ = ω_E [c Rc Ψc λ + s Rs λ] + D (16)

ω₂ = ω_E [(s Φs Rc Ψ - c Φs Ψ) c λ - s Φc Rs λ] + D (17)

ω₃ = -ω_E [c Rc Ψc λ + s Rs λ] + D (18)

a₁ = -g s Φc R + B (19)

a₂ = g s R + B (20)

a₃ = g s Φc R + B (21)

Die Werte für die Drift des Kreisels und den Nullpunktfehler des Beschleunigungsmessers ergeben sich aus

und durch Lösung der folgenden Gleichungen erhält man den gesuchten Nordrichtungswinkel Ψ:

Außerdem lassen sich die Lagewinkel (Nick- und Rollwinkel) unmittelbar berechnen:

Wenn man unterstellt, daß die geographische Breite λ zu Beginn bekannt ist, sind in den Gleichungen (24) bis (32) jeweils alle rechts vom Gleichheitszeichen stehenden Größen vorhanden.

Nach dem oben beschriebenen Formalismus lassen sich alle erforderlichen Winkel berechnen, sofern alle Meßsignale bis auf die Werte D und B fehlerfrei sind.

Treten während der Meßzeit Störbewegungen auf die Vorrichtung auf, beispielsweise Einsinkbewegungen des die Vorrichtung tragenden Fahrzeugs, dann können normalerweise große Nordrichtungsfehler entstehen, die in den meisten Fällen nicht erkennbar sind.

Hier bietet die Kombination des Kreisels mit einem Beschleunigungsmesser einen entscheidenden Vorteil: Indem die Meßachse des Beschleunigungsmessers orthogonal zur Meßachse des Kreisels angeordnet wird, kann das Nutzsignal "Erddrehung" vom Störsignal "Fahrzeugbewegung" getrennt werden.

Bei einer Störwinkelgeschwindigkeit ω_S um die Eingangsachse des Kreisels (X-Achse) ist die gemessene Winkelgeschwindigkeit

ω_i* = ω_i + ω_s; i = 1, 2, 3 (33)

Der Drehwinkel α des Systems um die X-Achse folgt der Beziehung

Für eine im Zeitraum Δt = t₁ - t₀ als konstant angenommene Winkelgeschwindigkeit ω_s gilt

α(t) = α₀ + ω_s (t - t₀); t₀ < t < t₁ (34)

Die vom Beschleunigungsmesser sensierte Komponente der Gravitation ist für kleine Winkel α

a(t) = -g α(t)

Die Änderung im Zeitraum Δt beträgt

Δa = a (t₁) - a (t₀)

Δa = - g ω_s Δt

Somit läßt sich ω_s aus der Änderung der gemessenen Beschleunigung berechnen:

Setzt man diesen Wert in Gleichung (33) ein, so läßt sich der Störeinfluß von ω_s eliminieren.

In bekannter Weise läßt sich mittels der Signalelektronik der Skalenfaktor des Kreisels und des Beschleunigungsmessers (Maßstabsfaktoren von Kreisel, Drehmomenterzeuger, Meßwiderstand, Sample-Hold-Glied, A/D-Wandler) und der Temperaturkoeffizient der Sensoren berechnen und ein Korrekturwert ermitteln.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Präzessionsrahmen
3 Spinachse
4 Kreiselrotor
5 Axialluftspalt
6 Radiallaufspalt
7 Drehachse
8 Verdichter
9 Winkelstellungsabgriff
10 Drehmomenterzeuger
11 Motor (Statorwicklung)
12 Motor (Permanentmagnete)
13 Stromzuführungsfedern
15 Kommutierungselektronik
18 Rahmenkörper
19 Beschleunigungsmesser
20 Meßachse Kreisel
21 Meßachse Beschleunigungsmesser
22 Hochachse
23 Gestell

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung, enthaltend

- einen in einem Gestell um eine Hochachse drehbar gelagerten Rahmen,
- einen an dem Rahmen befestigten Drehgeschwindigkeitssensor mit wenigstens einer zur Hochachse senkrecht stehenden Meßachse,
- eine auf dem Rahmen angeordneten Lotfühlereinrichtung aus lediglich einem Beschleunigungsmesser, dessen Meßachse senkrecht sowohl zur Meßachse des Drehgeschwindigkeitssensors als auch zur Hochachse des drehbar gelagerten Rahmens angeordnet ist,
- einen Stellmotor zum Verdrehen des Rahmens um die Hochachse und
- eine Signalaufbereitungseinheit für die Bestimmung der Nordrichtung, welcher die von den Sensoren kommenden Signale zugeführt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Rahmenstellung Störbewegungen des Fahrzeugs, die zu einer Winkelgeschwindigkeit um die Meßachse (20) des Kreisels führen, zusätzlich mittels des Beschleunigungsmessers (19) sensiert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit der Störbewegung nach der Beziehung berechnet wird, wobei Δa die gemessene Beschleunigungsänderung innerhalb der Meßzeit Δt und ω_s die Winkelgeschwindigkeit der Störbewegung um die Meßachse (20) des Kreisels darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Winkelgeschwindigkeit ω_s vom Meßwert des Kreisels subtrahiert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (24) zum Verdrehen des Rahmens (18) um die Hochachse (22) als Schrittmotor ausgeführt ist, wobei durch Auszählen der durchgeführten Schritte die Rahmenstellung ermittelt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeschwindigkeitssensor ein gasgelagerter Wendekreisel ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehgeschwindigkeitssensor ein aktiver oder passiver Laserkreisel ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Schrittmotors (24) der Rahmen (18) in den drei Stellungen 0°, 90°, 180° fixiert wird und die Signale a₁-a₃ des Beschleunigungsmessers (19) nach den Beziehungen a₁ (0°) = g · sin Φ cos R + Ba₂ (90°) = g · sin R + Ba₃ (180°) = -g · sin Φ cos R + Bermittelt werden, worin g die Gravitationsbeschleunigung, Φ der Rollwinkel und R der Nickwinkel des Rahmens (18) und B der Nullpunktfehler des Beschleunigungsmesser (19) kennzeichnet, und die Signale des Drehgeschwindigkeitssensors ω₁-ω₃ nach den Beziehungenω₁ (0°) = ω_E (cos R cos Ω cos λ + sin R sin λ) + Dω₂ (90°) = ω_E [(sin Φ sin R cos Ψ - cos Φ sin Ψ) cos λ - sin Φ cos R sin λ] + Dω₃ (180°) = -ω_E [cos R cos Ψ cos λ + sin R sin λ] + Dermittelt werden, worin ω_E die Erdrotation, Ψ der Nordrichtungswinkel und D die sensorabhängige Drift kennzeichnet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Signale des Beschleunigungssensors (19) und des Drehgeschwindigkeitssensors in den Rahmenstellungen 0°, 120°, 240° gewonnen werden und einer Auswerteschaltung zur Ermittlung des Nordrichtungswinkel Ψ zugeführt werden.