DE3516805C1 - Zwangsgesteuerte und stabilisierte Trägerplattform mit mehreren optischen Apparaten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zwangsgesteuerte und stabilisierte Träger­ plattform mit mehreren optischen Apparaten nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Man kennt an Bord von Fahrzeugen sogenannte Trägerplattformen für optische Apparate, die zwangsgesteuert und stabilisiert sind. Träger­ plattform steht für die eigentliche Plattform, einschließlich der zuge­ ordneten Einrichtungen besonderer Funktion: Die Trägerplattformen eliminieren Vibrationen des Fahrzeuges, die schädlich sind für die Auflösung der optischen Apparate, für die Entkopplung der Bewegung des Fahrzeuges von einer Fernsteuerung in bezug auf Lage und Rich­ tung, für die Beobachtung, die Einstellung der Objektive, die Verfol­ gung eines Zieles usw. Die Stabilisierung erfolgt mit Hilfe eines Gyroskopen mit zwei Freiheitsgraden, dessen kinetisches Moment parallel zur optischen Achse jedes der optischen Apparate verläuft, während seine Schwenkachsen parallel zu denen der Trägerplattform sind. Die Rolle des Gyroskopes ist eine doppelte. Bei Abwesenheit eines Einstell­ kommandos hält das Gyroskop die Stellung der Trägerplattform im Raum fest, d. h. es entkoppelt die Gesamtheit der optischen Apparate, die von der Trägerplattform getragen werden, von Bewegungen und Vibrationen des Fahrzeuges. Auf Einstellkommandos der Zwangssteuerung steuert das Gyroskop die Orientierung der Trägerplattform in bezug auf Lage und Richtung. Diese Steuerung durch das Gyroskop sichert für die Trägerplattform die Stabilisierung, obgleich die Orientierung der Trägerplattform verstellbar ist, und selbst bei der Verstellung der Trägerplattform. Trägerplattformen dieser Art und Zweckbestimmung besitzen eine große Masse und repräsentieren eine entsprechende Träg­ heit, so daß eine genaue Stabilisierung und eine schnelle Zwangs­ steuerung große motorische Kräfte erforderlich machen. Die Genauig­ keit der Zwangssteuerung sowie der Stabilisierung sind verbesserungs­ fähig.

Aus der US-PS 35 18 016 ist eine zwangsgesteuerte, stabilisierte Trä­ gerplattform mit mehreren optischen Apparaten bekannt, bei der die Strahlen für diese Apparate in einem Eingangsspiegel reflektiert wer­ den, der in einer kardanischen Lagerung mit Hilfe eines Gyroskopes stabilisiert werden kann. Schwenkbewegungen um die Richtungsachse werden im Untersetzungsverhältnis 2 : 1, um die Lageachse mit 1 : 1 übertragen. Detektoren erfassen Veränderungen der Winkelstellung des Eingangsspiegels. Sie setzen diese in Signale um, nach deren Maßgabe ein Lagerbock mit Hilfe von Motoren um die Lage- und Richtungsachse gesteuert werden kann. Die Genauigkeit und die Stabilisierung sind verbesserungsbedürftig. Aus der FR-PS 75/36 999 ist eine Trägerplatt­ form bekannt, bei der die eigene Stabilisierung mit einer inneren Stabilisierung der optischen Apparate verbunden ist. Die Trägerplatt­ form wird hier nach Maßgabe von Informationen des Gyroskopes sta­ bilisiert und gesteuert. Jeder Stabilisierungsfehler, den das Gyroskop feststellt, wird benutzt, um entweder gekreuzte optische Ablenkungs­ einrichtungen mit Hilfe von Strahlenbündeln zu steuern, die ein an Bord des Fahrzeuges befindlicher Apparat aufnimmt und aussendet, oder aber um einen beweglichen Spiegel mit zwei senkrechten Achsen zu steuern, was die gleiche Funktion sicherstellt. Trägerplattformen des vorstehend beschriebenen Aufbaus kann man als solche mit zwei Stabilisierungsstufen bezeichnen. Sie bringen eine hohe Qualität der Stabilisierung, die mit dem Auflösungsvermögen der optischen Apparate vergleichbar ist, jedoch ist die zusätzlich erforderliche innere Stabilisierung aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zwangsgesteuerte und stabilisierte Trägerplattform des eingangs beschriebenen grundsätz­ lichen Aufbaus in bezug auf Genauigkeit der Zwangssteuerung sowie der Stabilisierung zu verbessern, den Aufwand einer zusätzlichen inneren Stabilisierung jedoch zu vermeiden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch den Anspruch 1 definiert. Bevor­ zugte Ausführungsformen und weitere Ausbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 3.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausfüh­ rungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zei­ gen

Fig. 1 die Ansicht einer erfindungsgemäßen Trägerplattform,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Gegenstandes der Fig. 1,

Fig. 3 perspektivisch und schematisch die einzelnen Elemente der er­ findungsgemäßen Trägerplattform,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein flexibles Lager des stabilisierten Ein­ gangsspiegels und

Fig. 5 einen Schnitt durch ein Motor/Detektor-Aggregat, wie es für die Positionierung des Eingangsspiegels verwendet wird.

In den Fig. 1 und 2 erkennt man eine steuerbare und stabilisierte Trägerplattform 1. Zu ihrem grundsätzlichen Aufbau gehören eine Basisplatte 2, die mit dem Fahrzeug 3 fest verbunden ist, und ein einstellbarer Okulararm 4 an sich bekannter Konstruktion. Über den Okulararm 4 erhält ein Beobachter 5 ein Bild der Umgebung, aufge­ nommen durch die Fenster 6a und 6b in dem Hauptgehäuse 7. In dem Hauptgehäuse 7 befinden sich die Einrichtungen, die den Okulararm und die notwendigen Apparate verbinden, beispielsweise eine Infra­ rotkamera 8 für die Beobachtung, eine Fernsehkamera 9 für die Auf­ zeichnung von Geschossen, ein Laser 10 für die Fernmessung von Zie­ len. Der Weg für den Infrarotstrahl geht durch das Fenster 6a, die anderen optischen Wege gehen durch das Fenster 6b und sind über den stabilisierten Eingangsspiegel 11 geführt. Um eine Umgebung zu explorieren, wird das Hauptgehäuse 7 um eine erste Achse 12 ge­ schwenkt, und zwar in einem Lagerbock 13, der seinerseits um eine zweite Achse 14 in der Basisplatte 2 schwenkbar ist. Die Achsen 12 und 14, die eine Lageachse 12 und eine Richtungsachse 14 sind, stehen senkrecht zueinander und senkrecht zur Zielrichtung oder Blick­ richtung 15, wenn die Trägerplattform 1 sich in der Ausgangsstellung befindet, die in der Zeichnung dargestellt ist. Der Eingangsspiegel 11 ist um seine Lageachse und um eine Richtungsachse stabilisiert, und zwar mit Hilfe eines Gyroskopes 16. Das Hauptgehäuse 7 und der Lagerbock 13 werden nach Maßgabe der Position des Eingangsspiegels 11 um ihre Achsen 12 bzw. 14 gesteuert, wie es im folgenden be­ schrieben wird.

In der Fig. 3 erkennt man ein Gyroskop 16 mit zwei Freiheitsgraden, welches unter Zwischenschaltung einer kardanischen Lagerung 17 im Inneren eines Bauteils 18 befestigt ist, welches mit dem Hauptgehäuse 7 verbunden ist. Die kardanische Lagerung 17 ist mit Hilfe eines ersten Rahmens 19 und eines zweiten Rahmens 20 verwirklicht, sobei der erste Rahmen 19 das Gyroskop 16 trägt und von dem zweiten Rah­ men 20 getragen ist, der seinerseits im Inneren des Bauteils 18 ge­ lagert ist. Der erste Rahmen 19 kann in bezug auf den zweiten Rah­ men 20 um die Richtungsachse 21 schwenken, welcher zweite Rahmen in bezug auf das Bauteil 18 um die horizontale Achse 22 schwenken kann, die zur vertikalen Achse 21 senkrecht steht. In der Ausgangs­ stellung sind die vertikale Achse 21 und die horizontale Achse 22 parallel zu den Achsen 12 bzw. 14, wie es die Zeichnung erkennen läßt.

Das Gyroskop ist in dem Rahmen 19 so angeordnet, daß seine Meß­ achsen 23 und 24 parallel zu den Achsen 21 und 22 verlaufen. In der Ausgangsstellung bildet sein Trägheitsmoment mit der Richtung 25 und den Achsen 21 und 22 gleichsam einen Dreiflächner (dreiflächige Pyramide) mit drei rechten Winkeln an der Spitze.

Die Achsen, um die der erste Rahmen 19 und der zweite Rahmen 20 schwenken, laufen auf Kugellagern oder sind, besser noch, flexible Achsen. Sie ermöglichen infolge ihrer Flexibilität leichte Winkelbewe­ gungen. Sie können durch ein kreuzförmiges Torsionselement 26 reali­ siert werden, welches in zwei Bajonettkappen 27a, 27b gehalten ist, wie es die Fig. 4 zeigt. Die Rahmen 19 und 20 können so zwischen sich und in bezug auf das Bauteil 18 um einen kleinen Winkel um die Achsen 21 und 22 schwenken. Der Schwenkwinkel hat die Größe von einigen Grad.

Auf dem zweiten Rahmen 20 befindet sich eine Halterung 28, die den Eingangsspiegel 11 trägt. Die Ebene dieses Eingangsspiegels 11 ist parallel zur Achse 21 und in bezug auf die Achse 22 geneigt. Der Neigungswinkel beträgt vorzugsweise 45°. Die mechanische Verbindung zwischen dem Rahmen 20 und der Halterung 28, sowie die des Ein­ gangsspiegels 11 sind durch Achsen oder Wellen verwirklicht, die mit den vorstehend beschriebenen in Fig. 4 dargestellten identisch sind. Sie erlauben leichte Winkelbewegungen des Eingangsspiegels um die Richtungsachse 29, die parallel zur Achse 21 verläuft. Schwenken der erste Rahmen 19 und das Gyroskop 16 um die Achse 21 um einen vor­ gegebenen Winkel, so schwenkt der Eingangsspiegel 11 um die Achse 29 um den halben Betrag dieses Winkels, und zwar mit Hilfe einer mechanischen Verbindung, die aus Rollen und einem darüber geführten Zugmittel besteht und ein entsprechendes Übersetzungsverhältnis auf­ weist.

Eine Rolle 30 vom Durchmesser 2 R ist an der Halterung 28 befestigt, eine zweite Rolle 31 vom Durchmesser R ist an dem Rahmen 19 befe­ stigt, und diese beiden Rollen 30 und 31 sind durch ein Metallband 32 als Zugmittel verbunden, welches mit je einem Ende an einer der Rollen festgelegt ist. Auf diese Weise überträgt sich jede Winkelbe­ wegung des ersten Rahmens 19 um seine Schwenkachse 21 auf den Ein­ gangsspiegel 11, und zwar als Schwenkbewegung mit dem halben Win­ kelwert um die Achse 29 - und umgekehrt. Auf diese Weise überträgt sich fernerhin jede Winkelbewegung des zweiten Rahmens 20 um seine Achse 22 auf den Eingangsspiegel 11, und zwar mit der gleichen Amplitude sowie ebenfalls um die Achse 22. Der Eingangsspiegel 11 schwenkt in bezug auf den Rahmen 19, der das Gyroskop 16 trägt, nur mit dem halben Winkel. Ein Trägheitskompensator 33, der schwenk­ bar in dem Rahmen 20 befestigt ist, wird durch eine Anordnung von Rollen mit darüber geführtem Zugmittel in entgegengesetzter Richtung geschwenkt wie der Eingangsspiegel 11.

Das Gyroskop 16 ist vorzugsweise ein Gyroskop mit sog. "flexiblem Anschluß". Seine Meßachsen 23 und 24 sind jede mit einem Koppelmo­ tor und einem Winkeldetektor ausgerüstet, was in der Zeichnung nicht dargestellt wurde. Die Detektoren geben die räumliche Orientierung der Richtung 25 des kinetischen Momentes des Gyroskopes in bezug auf sein Gehäuse und in bezug auf den Rahmen 19 an.

Die Ausgänge der Detektoren des Gyroskopes 16 sind an die Verstärker 34a bzw. 34b angeschlossen, und deren Ausgänge sind mit den An­ schlüssen eines Paares von homologen Motor/Detektor-Aggregaten 35a, 35b und 36a, 36b verbunden.

Die Aggregate 35a, 35b sowie 36a, 36b sind Linearmotoren, die gleich­ falls mit einem linearen Detektor ausgerüstet sind, wie weiter unten beschrieben wird. Die Aggregate 35a, 35b sowie 36a, 36b sind zwischen dem Bauteil 18 und dem Eingangsspiegel 11 angeordnet. Sie steuern paarweise, der eine schiebend und der andere ziehend, die Orien­ tierung des Eingangsspiegels 11 um die Achsen 22 bzw. 29 und die Orientierung des Rahmens 19 sowie des Gyroskopgehäuses 16 um die Achse 21 und selbstverständlich, unter Zwischenschaltung der Band­ transmissionen 30, 31 und 32, um die Achse 22. Das geschieht bis zum Verschwinden der Ausgangssignale des Detektors des Gyroskopes 16. Das Gehäuse des Gyroskopes 16 hat dabei, infolge der Transmission, um seine Achse 21 eine Winkelbewegung durchgeführt, die doppelt so groß ist wie die, die der Eingangsspiegel 11 um die Achse 29 durch­ geführt hat, und zwar so, daß die Zielrichtung 15 stets parallel zur Richtung 25 des kinetischen Momentes des Gyroskopes bleibt.

Das Gyroskop 16 und der Eingangsspiegel 11, die in der beschriebe­ nen Weise montiert und verbunden sind, bilden zusammen ein Träg­ heitssystem, welches es erlaubt, mit einem einzigen Spiegel die opti­ schen Achsen sowie die Achse des Sehweges am Okulararm genau zu stabilisieren, und zwar bei begrenzten Abweichungen, die z. B. aus Vibrationen des Fahrzeuges resultieren. Die wichtigeren Abweichungen, die erfolgen, um im Rahmen der Zwangssteuerung das gesamte Träg­ heitssystem auf eine gewünschte Zielrichtung in bezug auf eine Rich­ tung des Fahrzeuges einzustellen oder um diese Zielrichtung in bezug auf Bewegungen des Fahrzeuges einzuhalten, werden erreicht durch die Steuerung des Lagerbockes 13 und des Gehäuses 7 mit dem darin enthaltenen Trägheitssystem Gyroskop/Spiegel und den optischen Appa­ raten, und zwar um die Achsen 12 und 14.

Die Informationen, welche die linearen Detektoren des Motor/Detektor- Aggregates 35a und 35b liefern, dienen, nach Verstärkung in einem Verstärker 37, dazu, einen Motor 38 zu steuern, der das Hauptgehäuse 7 um die Achse 12 auf die Lageposition des Gyroskopes 16 einrichtet. Die Informationen, die die linearen Detektoren des Motor/Detektor- Aggregates 36a und 36b liefern, dienen, nach Verstärkung im Verstärker 39, dazu, den Motor 40, der das Hauptgehäuse 7 einrichtet, um die Achse 12 auf die Lageposition des Gyroskopes 16 zu steuern. In der Zeichnung steuern die Motoren 38 bzw. 40 den Lagerbock 13 bzw. das Hauptgehäuse 7 durch Untersetzungs-Zahnradgetriebe. Um Ungenauig­ keiten aus dem Spiel solcher Getriebe zu vermeiden, können diese Zahnradgetriebe durch schlupf- und dehnungsfreie Bandtransmissionen ersetzt werden.

Um die Zielrichtung 15, unabhängig von der Bewegung des Fahrzeuges, einzustellen oder zu verstellen, ist ein Handgriff 41 vorgesehen, mit dem Steuersignale den nicht dargestellten Motoren des Gyroskopes 16 zugeführt werden können, welches den Eingangsspiegel 11, das Haupt­ gehäuse 7 und den Lagerbock 13 steuert und genau einstellt. Der Ein­ gangsspiegel 11, das Hauptgehäuse 7 und der Lagerbock 13 folgen zwangsweise den Veränderungen der Richtung 25 des kinetischen Mo­ mentes des Gyroskopes 16.

Ein Gyrometer 42a, dessen Meßachse 42b bei der in den Figuren dar­ gestellten Ausgangsstellung senkrecht zu den Meßachsen 23 und 24 des Gyroskopes 16 und parallel zur Zielachse 15 verläuft, ist an dem Ge­ häuse befestigt. Das Gyrometer 42a erfaßt die Destabilisationsbewe­ gungen um die Zielachse 15. Der Ausgang dieses Detektors 42b ist an den Eingang eines Integrierers 43 angeschlossen, der mit einem Ver­ stärker 39 verbunden ist. Der Ausgang dieses Verstärkers 39 ist mit den Anschlüssen des Motors 40 für die Einstellung des Hauptgehäuses um die Achse 12 verbunden. Der Eingangsspiegel 11 stabilisiert rich­ tungsmäßig und lagemäßig die Strahlen der optischen Apparate. Der Zwangssteuerung des Hauptgehäuses 7, welches lagemäßig den Ver­ stellungen des Eingangsspiegels 11 folgt, ist eine Korrektur hinzuge­ fügt, um Stabilisationsfehler um die Zielrichtung zu korrigieren, die das Gyrometer 42a feststellt.

Die Motor/Detektor-Aggregate 35a, 35b sowie 36a, 36b sind in der Fig. 5 im Detail dargestellt. Es handelt sich um solche des Typs mit Luftspule 44, die in einem magnetisierten Eisenjoch dreht, - ohne Reibungskupplung öder Viskositätskupplung.

Die Luftspule 44 ist in Federblättern 45 geführt. Zu dem Motor/De­ tektor-Aggregat gehören eine Basisplatte 46, die über einen kleinen Permanentmagneten 47 magnetisiert ist, und eine bewegliche Armatur 48. Die bewegliche Armatur 48 trägt einerseits zwei Motorwicklungen 49 und andererseits, als Detektor, eine Erregerwicklung 50, die in einer Abnehmerspule 51 beweglich ist. Das Ende 52 der beweglichen Armatur ist mit dem Eingangsspiegel 11 verbunden, auf den sie die motorische Kraft überträgt.

Claims (3)

1. Zwangsgesteuerte und stabilisierte Trägerplattform mit mehreren optischen Apparaten,
bei der die für diese optischen Apparate (8, 9, 10) bestimmten oder von diesen ausgehenden Strahlen an einem Eingangsspiegel (11) reflektiert werden, der in einer kardanischen Lagerung mit Hilfe eines Gyros­ kopes (16) stabilisiert ist, an welches der Eingangs­ spiegel (11) mit einem Untersetzungsgetriebe (30, 31, 32) mit Untersetzungsverhältnis 2 : 1 für eine Schwenk­ bewegung um eine vertikale Achse (29) angeschlossen ist, an welches der Eingangsspiegel (11) fernerhin mit einer 1 : 1-Übersetzung für eine Schwenkbewegung um eine horizontale Lageachse (22) angeschlossen ist,
wobei die optischen Apparate (8, 9, 10) und das Aggregat aus dem Gyroskop (16) und dem Eingangsspiegel (11) in einem Hauptgehäuse (7) untergebracht und befestigt sind, welches um seine horizontale Achse (12) in einem Lagerbock (13) schwenkbar ist, der seinerseits um eine vertikale Achse (14) schwenkbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Hauptgehäuse (7) und der der Lager­ bock (13) um die horizontale Achse (12) oder um die vertikale Achse (14) mit Hilfe von Motoren (40) und (38) schwenkbar gesteuert sind, welche Motoren (40, 38) ihrerseits nach Maßgabe von Signalen arbeiten, die von mit dem Eingangsspiegel (11) verbundenen Detektoren (35a, 35b; 36a, 36b) ausgehen und die Winkelveränderungen des Eingangs­ spiegels (11) entsprechen, und daß ein Gyrometer (42a) zur Stabili­ sierung der optischen Apparate (8, 9, 10) vorgesehen ist, dessen Ausgang (42b) an einen Integrierer (43) angeschlossen ist, der mit einem Verstärker (39) verbunden ist, wobei die Meßachsen des Gyro­ meters (42a) senkrecht zu den Meßachsen des Gyroskopes (16) ver­ läuft, wenn die Trägerplattform sich in einer Position befindet, bei der die horizontale Achse (12) sowie die vertikale Achse (14) aufein­ ander und in bezug auf die Achse (15) der optischen Apparate (8, 9, 1) senkrecht stehen, und daß der Ausgang des Verstärkers (39) an die Kontakte eines Motors (40) für die Einrichtung des Hauptge­ häuses (7) um die horizontale Achse (12) angeschlossen ist.

2. Trägerplattform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kardanische Lagerung (17) und der Eingangsspiegel (11) mit flexi­ blen Lagern ausgerüstet sind, die durch elastische Verformung eine leichte Winkelbewegung um die vertikalen Achsen (21, 29) und um die horizontale Achse (22) zulassen.

3. Trägerplattform nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuermotoren des Eingangsspiegels (11) Linear­ motoren und die Detektoren (35a, 35b; 36a, 36b), die mit dem Ein­ gangsspiegel (11) verbunden sind, Lineardetektoren sind.