DE3604998A1 - Stabilisierter traeger fuer eine plattform - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung befaßt sich mit einem stabilisierten Träger für eine Plattform, insbesondere einem stabilisierten Träger für eine Plattform einer Antenne, die einem Satelliten nachläuft. Der Träger kann auf einer festen Fläche verwendet werden. Er ist aber prinzipiell bestimmungsgemäß bei einem fahrenden Fahrzeug, wie einem Schiff auf dem Meer oder einem großen Landfahrzeug zu verwenden.

Vv Beim Nachlaufen eines Signales von einem Satelliten beispielsweise ist es wesentlich, daß ein genaues Nachlaufen erfolgt, da ganz kleine Deviationen durch die Antenne zu einem Verlust des Signals führen können. Der Signalempfang ist unabhängig von einfachen Translationen der Antennenbasis, da der Satellit so weit entfernt ist, daß kleine Bewegungen der Antenne nicht nennenswert den Azimuth oder die Elevation des Satelliten ändern, der mittels der Antenne detektiert wird. Jedoch fällt die Signalstärke plötzlich ab, wenn die Achse des Parabolreflektor s von der korrekten Ausrichtung abweicht. Die Achse eines Parabolreflektors ist eine Linie senkrecht zu der Fläche des Parabolspiegels im Zentrum des Parabolspiegels. Winkelfehler von größer als 0,5° beispielsweise können zu einem Verlust der Arbeitsfähigkeit führen. Das Arbeitssignal bei einem Fehler von 0,5° beläuft sich auf etwa 1,5 Volt weniger als bei der korrekten Ausrichtung und der Empfang von Pilotsignalen von der Antenne geht verloren, wenn der Winkelfehler etwa 2° beträgt. Bis zu diesem Punkt ist die Signalstärke positiv.

A Es ist daher wichtig, eine Antenne mit einem Bewegungskompensationssystem zu haben, das ermöglicht, daß die Antenne trotz

Bewegungen des sie tragenden Fahrzeuges korrekt arbeitet, die die Ausrichtung der Antenne zum Signal beeinflussen. Ein effektiv arbeitendes Stabilisationssystern muß verhindern, daß sich die Plattform relativ zum festen Raum selbst dann dreht, wenn das Trägerfahrzeug eine solche Bewegung ausführt. Ein Stabilisationssystem kann natürlich nicht die Plattform von Beschleunigungen des Fahrzeuges längs der Achse der Antenne isolieren.

Übliche Plattformstabilisationssysteme sind entweder passive oder aktive. Ein typisches passives Stabilisationssystem gleicht die Plattform auf Kardanträgern mit Lagern mit geringer Reibung ab. Bei einem sorgfältigen Ausgleich führt eine seitliche Beschleunigung eines Plattformträgers nicht zu einer Drehung der Plattform. Die auf die Plattform wirkende Drehkraft sind nur kleine Drehmomente, die von den Kardantragleitern getragen werden. Die Trägheit der Plattform jedoch versucht, daß sie ausgerichtet im absoluten Raum verharrt. Ein Gyroskop bzw. ein Kreisel ist ein Beispiel eines passiven Systems. Ein Gyroskop basiert auf der geringen Reibung seiner Kardanlager, um zu verhindern, daß sich die stabilisierte Plattform dreht. Das Kreiseltreibrad in einem Gyroskop dient dazu, die effektive Trägheit der Plattform zu erhöhen.

Ein aktives System unterscheidet sich hiervon dadurch, daß es Instrumente zum Erfassen der Bewegung der Plattform und ein Steuersystem hat, das bestimmt, wie schnell die Plattform relativ zu seinen Trägern zu drehen ist, um die Bewegung auf ein Minimum zu reduzieren. Alle aktiven Steuersysteme geben ein Steuersignal aus, das direkt einer Drehgeschwindigkeit der Plattform relativ zu seinen Stützkonstruktionen entspricht. Wenn das Instrument, das die Bewegung der Plattform erfaßt, eine Rollgeschwindigkeit eines

Schiffes mit O₇5° pro Sekunde erfaßt, wird ein Signal zu dem Steuersystem gesendet, um die stabilisierte Plattform bei einer Geschwindigkeit von minus 0,5° pro Sekunde relativ zum Schiff zu bewegen, so daß die resultierende Drehung der Plattform 0 wird.

Bei passiven Systemen führt die Reibung dazu, daß ein perfektes System nicht möglich ist. Dies bedeutet, daß die Reibung in den Kardanlagern nicht vollständig eliminiert werden kann und daher ist die Deviation der Plattform von der erforderlichen Position unvermeidbar. Ein Problem bei den aktiven Systemen ist die relative Kompliziertheit und die Tatsache, daß Fehler sowohl bei der Erfassung der Bewegung als auch beim Senken der entsprechenden Kompensationsbewegung zu der Plattform noch unvermeidbar sind.

Die Erfindung gibt eine Kombination von einem aktiven und passiven System an. Bei der Erfindung wird die Plattform auf Kardanträgern mit geringer Reibung im Gleichgewicht gehalten, um sie von Drehungen ihrer Stützkonstruktion zu isolieren. Es werden jedoch Instrumente verwendet, um die Bewegung der Plattform zu messen und es wird ein Steuersystem verwendet, um jeglicher beobachteten Bewegung entgegenzuwirken. Ee würde jedoch betont werden, daß bei der Erfindung das aktive Steuersystem nicht die Bewegung der Plattform relativ zur Stützkonstruktion steuert. Im normalen Betriebszustand kann die Plattform frei auf ihren Kardanträgern schwingen und das aktive Steuersystem gibt der Plattform nur dann Drehmomenterhöhungen, wenn die Plattform beginnt, sich aus der korrekten Ausrichtung wegzuschwingen.

Gemäß einem ersten Gedanken nach der Erfindung wird ein stabilisierter Träger für eine Plattform angegeben, der eine Stütze, einen Kardanring, der auf der Stütze durch ein diame-

tral gegenüberliegenden ersten Kardanträger gelagert ist, und einen diametral gegenüberliegenden zweiten Kardanträger aufweist, um die Plattform auf dem Kardanring zu lagern, wobei sich die Weiterentwicklung dadurch auszeichnet, daß sich eine erste Welle durch einen der ersten Kardanträger erstreckt, ein erster Motor an der ersten Welle angebracht ist, eine zweite Welle sich durch eines der zweiten Kardanträger erstreckt, ein zweiter Motor an der zweiten Welle angebracht ist, und eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln der Bewegung der Plattform vorgesehen ist, wodurch jegliche Bewegung der Plattform, die durch die Bewegung des Kardanringes induziert auf die Plattform über die Reibung der kardanischen Lagerung übertragen wird, durch ein Drehmoment kompensiert werden kann, das mittels eines Motors aufgebracht wird.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Stabilisationssystems nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Aufrißansicht der stabilisierten

Plattform in Teilschnittdarstellung, und

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Steuer

systems, das bei dem Stabilisationssystem nach den Fig. 1 und 2 verwendbar ist.

Fig. 1 und 2 zeigen einen stabilisierten Träger, der eine drehbare kreisförmige Basis 2 aufweist, die Kardantragarme 4 und 6 hat, die sich starr auf ihrer oberen Fläche drehen. Die kreisförmige Basis 2 ist mittels einer Lagerachse an Ort und Stelle gehalten, die sich nach unten erstreckt und

mit einem Deck 10 eines Schiffes zusammenarbeitet. Dort befindet sich ein Kardanring 12, der zwischen den Tragarmen 4 und 6 auf horizontalen, diametral gegenüberliegenden Wellen 14 und 16 angebracht ist, die sich von dem Kardanring nach außen erstrecken, um mit den Tragarmen 4 und 6 zusammenzuarbeiten. Dort ist ein weiteres Paar von diametral gegenüberliegenden Wellen 18 und 20 starr in einer Plattform 22 festgelegt, von der ein Teil in Fig. 2 gezeigt ist. Diese Wellen sind in Lagern 24 und 26 mit geringer Reibung im Kardanring 12 jedoch plaziert. Dort ist ein erster Elektromotor 28 vorgesehen, der an der Welle 14 angebracht ist, sowie ein zweiter Elektromotor 30, der an der Platte 32 montiert und an der Welle 20 angebracht ist. Die Welle 20, die sich vom Motor 30 erstreckt, dreht sich frei im Kardanring 12; sie ist aber starr mit der Plattform 22 verbunden. Die Welle 14, die sich vom Motor 28 erstreckt, ist starr mit dem Kardanring verbunden; sie dreht sich aber frei im Plattformträger 4 in den Lagern mit geringer Reibung. Alle vorgesehenen Lager haben ein niedriges Anlaufdrehmoment und beide Elektromotore 28 und 30 sind so gewählt, daß sie Elektromotore mit geringer Reibung sind.

Ferner ist ein Winkelgeschwindigkeitssensor 34 - siehe Fig.1 vorgesehen, der fähig ist, die Bewegung der Plattform 22 in zwei Richtungen zu detektieren, was durch die Kardanringkonstruktion ermöglicht wird.

Die Plattform 2 ist auf Rollen 36 gelagert und ist mit Zähnen 38 an ihrem Umfang versehen. Ein Elektromotor 40 ist auf der Plattform 2 angebracht und hat ein Zahnrad 42 auf seiner Antriebswelle, um eine Drehung der Plattform 2 durch den Antriebsmotor 40 zu ermöglichen. Das System ist durch eine Abdeckung 44 geschützt, die häufig als Radarkuppel bezeichnet wird, um einen Schutz vor Witterungseinflüssen zu

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bieten. Eine besonders wichtige Aufgabe der Kuppel ist, die Antenne vor Windstössen bzw. Windböen zu schützen.

Eine übliche Antenne 46 ist auf der Plattform 22 angebracht und ihre Winkelneigung ist entweder automatisch oder von Hand voreingestellt. Gegebenenfalls ist eine automatische Himmelabtastfunktion beim aktiven System möglich.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung wird anhand des Steuersystems verdeutlicht, das als ein Blockdiagramm in Fig. 3 dargestellt ist. Fig. 3 zeigt ein Steuersystem für nur einen der beiden betätigbaren Motore 28 und 30. Das System wird für den anderen Motor 28 oder 30 dupliziert.

Vor der Erläuterung von Fig. 3 soll Nachstehendes erwähnt werden. Der stabilisierte Träger, der in Fig. 3 gezeigt ist, hat drei Drehachsen. Es ist eine Drehachse um die Achse 8 vorhanden, der mit Hilfe des Elektromotors 40 eine grobe azimuthale Orientierung der Anordnung gestattet. Ferner sind zwei Achsen im Kardanträger vorgesehen, die zur präzisen Steuerung der Richtung der Antenne dienen. Für ein Antennensystem auf einem vor Anker liegenden Schiff, wie einer ölverladungsanlage beispielsweise, wobei der Kurs des Schiffes sich nicht ändert, kann die grobe azimuthale Orientierung voreingestellt werden und die Basis kann am Ständer festgeklemmt werden. Auf Schiffen jedoch, die ihren Kurs ändern, wird der Elektromotor 40 verwendet und er ist zweckmäßigerweise mit einem Signal gekoppelt, das vom Schiffskompaß geliefert wird.

Die Feinsteuerung des Trägers erfolgt aktiv und passiv. Die Plattform 22 kann sich frei auf dem Kardanring 12 drehen und die aktive Steuerung gibt der Plattform Drehmomenterhöhungen nur dann, wenn die Plattform beginnt, sich von der korrekten Orientierung für die Antenne wegzuschwingen. Das

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Steuersystem "weiß" nie, wie schnell sich die Antenne relativ zum Schiff dreht, sondern es weiß nur, wie schnell sie sich im absoluten Bezugssystem dreht. Sie steht im Gegensatz zu üblichen vorstehend erörterten Systemen, bei denen natürlich aktive Systeme konstant die Bewegung der Plattform relativ zum Schiff steuern.

Die Antenne 46, die von der Plattform 22 getragen wird, wird sorgfältig auf ihren Kardanträgern ausbalanciert, so daß eine Querbeschleunigung des Schiffsdecks kein Drehmoment auf sie induziert. Um dies zu erreichen, muß der Schwerpunkt des sich drehenden Teils, des der Antenne, des Tiefpaßverstärkers, der der Antenne zugeordnet ist, und der Stabilisierungseinrichtung genau im Mittelpunkt der Kardanlagerung und somit in Reihe zu beiden Drehachsen der Kardanlagerung sein. Hierfür wird ein Gegengewicht 48 verwendet und ferner muß wie angegeben das Gegengewicht fähig sein, kleine Massen aufzunehmen, um das Gleichgewicht der Antenne abzugleichen.

Wenn die Antenne frei auf ihrer kardanischen Lagerung schwingen kann, so ist nur die Kraft, die eine Drehung bewirken kann, ein Drehmoment, das über die Kardanlager als Reibung übertragen wird. Wenn die Lagerungen friktionslos sind, so wäre natürlich das aktive Steuersystem nicht erforderlich. Die Antenne würde in dieselbe Richtung zeigend verharren, während das Schiff darunter einfach eine Rollbewegung ausführt, da keine Kräfte über den Kardanring übertragen würden. Das aktive System ist jedoch notwendig, um die Reibung zu kompensieren. In diesem Zusammenhang soll verdeutlicht werden, daß es wichtig ist, Lager zu verwenden, die eine möglichst geringe Reibung haben. Die Drehgeschwindigkeit ist langsam, so daß Lager mit hoher Anlaufreibung, d.h. einem großen Abdriftdrehmoment, vermieden werden müssen. Ferner müssen die Lager wartungsarm geeignet zur Anwendung im Salznebel sein. Die Lagertoleranzen sind jedoch nicht kri-

tisch und die Belastung ist gering.

Weiterhin ist im Zusammenhang mit der Reibung auszuführen, daß die Motore 28 und 30 eng mit den Drehwellen 14 und 20 gekoppelt sein sollten und daß sie sich niemals um eine vollständige Drehung drehen und nie schneller als etwa 2° pro Sekunde drehen soll. Der Grundzustand der Motore ist jener, daß durch sie ein Strom von Null geht und in diesem Zustand können sie sich frei drehen und leisten daher keinen nennenswerten Beitrag zu der Reibung der Motorkardanträaer. Wenn ein zusätzliches Moment erforderlich ist, um :e±neKompensation der Auswirkungen der Reibungen in den Kardanträgern zu ermöglichen, wird ein gesteuerter Strom durch den Motor unter Anwendung des nachstehend beschriebenen Steueralgorithmus geschickt. Es ist noch zu erwähnen, daß die aktive Steuerung nach der Erfindung niemals eine direkte Steuerung der Bewegung der Antenne bewirkt. Sie gibt der Antenne nur erhöhte Drehmomente in der einen oder der anderen Richtung.

Somit ist das in Fig. 3 gezeigte Steuersystem ein Steuersystem, das sich nur mit der absoluten Bewegung der Antenne befaßt und nicht die Geschwindigkeit steuert, mit der sich die Antenne relativ zum Schiff dreht. Die Antenne ist von der Drehung des Schiffes durch die Lager mit geringer Reibung isoliert, so daß ihre Trägheit_Ain vorbestimmter Weise ausgerichtet hält.Das Steuersystem verwendet Trägheitssensoren, um die Absolutbewegung der Antenne zu überwachen und es liefert ein Drehmoment, um die Antenne auf die Nachlaufspur zurückzubringen und zwar nur dann, wenn die Antenne beginnt, aus ihrer vorbestimmten Orientierung wegzudriften.

Fig. 3 zeigt eine Hälfte des Steuersystems, das zur Steuerung des "Roll"-Winkels der Antenne verwendet wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 bestimmen das Drehmoment,infolge der Rollbewegung des Schiffes, das durch den Motor angelegte Dreh-

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moment und die dynamischen Verhältnisse der Antenne und der Kardanträger die Rollgeschwindigkeit der Antenne. Diese Rollgeschwindigkeit wird durch einen Winkelgeschwindigkeitssensor gemessen, der an der Antenne angebracht ist. Dieser Winkelgeschwindigkeitssensor kann eine gyro-stabilisierte Trägheitsplattform oder eine Festkörpereinrichtung sein. Die Einrichtung liefert ein elektrisches Signal proportional zur Rollgeschwindigkeit der Antenne und dieses Signal wird in einem analogen Signalfilter gefiltert und die Information wird einem A/D-Wandler zugeleitet. Von dort geht ein Signal durch den Mikroprozessorteil des Steuersystems, welcher jener Teil zwischen dem A/D-Wandler und dem D/A-Wandler ist. Auch werden in den Mikroprozessor Informationen eingegeben, die vom Energiesignal abgeleitet sind, das proportional zu der Stärke des empfangenen Signals ist und das über einen A/D-Wandler zugeleitet wird, um eine Ermittlung des gewünschten Rollwinkels der Antenne unter Verwendung eines Abtastalgorithmus zu ermöglichen. Dieser Teil des Steuersystems wird nachstehend erläutert.

Der Mikroprozessor gibt ein Steuersignal an die Stromsteuereinrichtung ab und die Stromsteuereinrichtung schickt dann den notwendigen Strom zu den Elektromotoren 28 oder 30 und zwar in Abhängigkeit davon, welcher Motor durch die jeweilige Schaltung gesteuert wird und dieser gibt ein verstärktes Drehmoment an die zugeordnete Welle ab.

Es ist erwünscht, daß das Steuersystem um ein Signalnachlaufsteuersystem ergänzt ist, das die Antenne in Richtung einer Orientierung treibt, bei der das Signal am stärksten ist. Ein solches System nimmt auf das Empfangssignal als Hauptsteuervariable Bezug und wird die Antenne um einen Bogen bewegen, um eine Orientierung auszutasten, bei der das Signal am stärksten ist.

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Claims (10)

Patentanwälte · European Patent Attorneys : VV. Abiiz .'. . . 1^ -Ing. 3 6 0 A 3 9 8 S.i M. Gritschneder Dipl.-Phys. A. Frhr. von Wittgenstein Abiiz. Morf. Gnischncder. von Wittgenstein. Postfach 86 01 09.8Q0O München 86 Dt- Dipl.-Chem. Postanschrift / Postal Address Postfach 86 01 09 D - 8000 München 17. Februar 1986 3940-13 Techwest a division of Fleet Aerospace Corporation 3650 Wesbrook Mall, Vancouver, British Columbia, Canada V62 2L2 Stabilisierter Träger für eine Plattform Patentan sprüche

1. Stabilisierter Träger für eine Plattform, gekennzeichnet durch:

eine Stütze (4, 6),

einen Kardanring (12), der auf der Stütze (4, 6) durch diametral gegenüberliegende erste Kardanträger angebracht ist,

diametral gegenüberliegende zweite Kardanträger, mittels der die Plattform (22) auf dem Kardanring (12) vorgesehen sind,

eine erste Welle (14), die sich durch einen der ersten Kardanträger erstreckt,

ein erster Motor (28), der an der ersten Welle (14) angebracht ist,

eine zweite Welle (20), die sich durch einen der zweiten Kardanträger erstreckt,

München - Bogenhausen Telefon: Telex: Telefax (II & III - automat.): Telegramm·

Posch,ngerstraße6 (089)98 32 22 5 23 992 (abitz d) (089)98 40 37 Chemindus München

ein zweiter Motor (30), der an der zweiten Welle (20) angebracht ist, und

eine Sensoreinrichtung (34), die die Absolutbewegung der Plattform (22) erfaßt, wodurch jegliche Bewegung der Plattform (22), die durch die Bewegung des Kardanrings (12) induziert und auf die Plattform (22) über die Kardanreibung übertragen wird, durch ein mittels eines Motors (28, 30) aufgebrachtes Drehmoment kompensiert werden kann.

2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung vorgesehen ist, die die Sensoreinrichtung (34) mit den Motoren (28, 30) derart verbindet, daß das angelegte Drehmoment steuerbar ist.

3. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der ersten und zweiten Motore (28, 30) ein elektrischer Gleichstrommotor mit geringer Reibung ist.

4. Träger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Motore Anker haben, die bei fehlendem Strom frei schwingen.

5. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Stützen (4, 6) von einer Basis (2) nach oben erstrecken.

6. Träger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Basis (2) fest ist.

7. Träger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Basis (2) drehbar aberan einer gewünschten Stelle feststellbar ist.

8. Träger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Basis (2) einen Motor (40) enthält, um die Basis (2) zu drehen und eine grobe Ausgangsposition für den Träger einzustellen.

9. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Plattform (22) eine Antenne (46) ist, die einem Satelliten nachgeführt wird.

10. Träger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Gegengewichte (48) vorgesehen sind, um den Schwerpunkt der Plattform (22) und der Kardanringe (12) am Dreh mittelpunkt der Kardanlagerungen (4,6) zu

positionieren.