DE3923783A1 - Integriertes stabilisiertes optik- und navigationssystem - Google Patents

Integriertes stabilisiertes optik- und navigationssystem

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DE3923783A1
DE3923783A1 DE3923783A DE3923783A DE3923783A1 DE 3923783 A1 DE3923783 A1 DE 3923783A1 DE 3923783 A DE3923783 A DE 3923783A DE 3923783 A DE3923783 A DE 3923783A DE 3923783 A1 DE3923783 A1 DE 3923783A1
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Joseph Hasson
Eli Ben Aharon
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Israel Aircraft Industries Ltd
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    • GPHYSICS
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    • G01C21/18Stabilised platforms, e.g. by gyroscope

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell optische, in kardanischer Aufhängung schwenkbare, stabilisierte Platt­ formen.
In kardanischer Aufhängung schwenkbare Plattformen sind an sich auf dem Gebiet der Navigation bekannt. Sie werden auch in stabilisierten Systemen, wie beispielsweise stabilisier­ ten Sichtliniensystemen, beweglichen Feuer- bzw. Schuß­ steuerungs- und -überwachungssystemen etc., verwendet. Bei­ spiele der Verwendung von in kardanischer Aufhängung schwenkbaren Plattformen in den beiden separaten Systemen treten unter anderem in den folgenden Systemen auf:
SLOS (stabilisiertes Sichtliniensystem), das kommerziell von der TAMAM-Abteilung der Israel Aircraft Industries er­ hältlich und in dem folgenden Katalog beschrieben ist: TM-181.
DSP (Tag-Überwachungs-Nutzlast), kommerziell erhältlich von der TAMAM-Abteilung der Israel Aircraft Industries und be­ schrieben in dem folgenden Katalog: TM-510 vom Februar 1986.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, ein integriertes Navigations- und stabilisiertes Optiksystem zur Verfügung zu stellen, das eine gemeinsame in kardani­ scher Aufhängung schwenkbare Plattform und damit verbundene bzw. dieser zugeordnete Sensoren verwendet und auf diese Weise wesentlich kleiner, leichter und weniger kostenauf­ wendig herstellbar und verwendbar ist, als separate konven­ tionelle Navigations- und stabilisierte Optiksysteme.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher ein integriertes, stabilisiertes Op­ tik- und Navigationssystem zur Verfügung gestellt, welches folgendes umfaßt: eine in kardanischer Aufhängung schwenk­ bare Plattform, Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssenso­ ren, die mit der in kardanischer Aufhängung schwenkbaren Plattform verbunden bzw. dieser Plattform zugeordnet sind, eine Plattformpositionierungseinrichtung, die auf die Aus­ gangsgrößen der Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssenso­ ren zur Aufrechterhaltung einer erwünschten Ausrichtung der in kardanischer Aufhängung schwenkbaren Plattform an­ spricht, und einen Navigationscomputer, der auf die Aus­ gangsgrößen der Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssenso­ ren zum Liefern einer Ausgangsanzeige bzw. -gabe des Orts anspricht.
Unter "Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssensoren" sol­ len hier ein oder mehrere Beschleunigungssensoren und ein oder mehrere Geschwindigkeitssensoren verstanden werden.
Weiter sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Beschleunigungs- und Geschwin­ digkeitssensoren in der Form einer fahrzeugfesten Träg­ heitsmeßeinheit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung defi­ niert bzw. bildet die in kardanischer Aufhängung schwenk­ bare Plattform einen Spiegel in einem stabilisierten Sicht­ liniensystem. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung definiert bzw. bildet die in kardanischer Aufhän­ gung schwenkbare Plattform einen Träger für eine Abbil­ dungseinrichtung, wie insbesondere eine FLIR-Kamera (vor­ wärtssehende Infrarot-Kamera) oder eine TV-Kamera (Fernseh- Kamera).
Die vorliegende Erfindung sei zu ihrem besseren und umfas­ senderen Verständnis nachstehend anhand einiger, in den Fi­ guren der Zeichnung dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine Blockdarstellung bzw. ein Blockschaltbild ei­ nes integrierten, stabilisierten Optik- und Navi­ gationssystems, das gemäß einer bevorzugten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und arbeitet und das insbesondere als Teil eines Tank- bzw. Panzerwagen- bzw. Kampffahrzeug- Feuerkontroll- bzw. -Schußsteuerungssystems kon­ figuriert ist;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines integrierten, stabilisierten Optik- und Navigati­ onssystems, das eine stabilisierte optische Sichtlinieneinrichtung und ein, vorzugsweise sta­ bilisiertes, Navigationssystem umfaßt, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung aufgebaut sind und arbeiten und die insbesondere als Teil eines Tank- bzw. Panzer­ fahrzeug- bzw. Kampffahrzeug-Feuerkontroll- bzw. -Schußsteuerungssystems konfiguriert sind;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Teils eines integrierten, stabilisierten Optik- und Navigati­ onssystems, das eine stabilisierte Kameraplatt­ form und ein, vorzugsweise stabilisiertes, Navi­ gationssystem umfaßt, die gemäß einer anderen be­ vorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung aufgebaut sind und arbeiten; und
Fig. 4 eine Blockdarstellung bzw. ein Blockschaltbild der stabilisierten Kameraplattform und des Navigati­ onssystems der Fig. 3.
In der nun folgenden detaillierten Beschreibung von bevor­ zugten Ausführungsformen der Erfindung sei zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, die ein integriertes, sta­ bilisiertes Optik- und Navigationssystem veranschaulichen, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung aufgebaut ist und arbeitet und das insbeson­ dere so konfiguriert ist, daß es eine Feuerkontrolle bzw. Schußsteuerung in Tanks, Panzerfahrzeugen, Kampffahrzeugen o.dgl. zur Verfügung stellt.
Die mechanische Einrichtung ist im Prinzip in Fig. 2 ge­ zeigt, und sie weist einen azimutalen Kardanrahmen 10 auf, der über eine Anbringungswelle 12, welche die nominelle Z- Achse definiert, auf einer Plattform montiert ist, wie bei­ spielsweise auf einem drehbaren Panzerturm eines Tanks, Panzerfahrzeug o.dgl. (nicht gezeigt). Die Winkelausrich­ tung des Kardanrahmens 10 um die Welle 12 wird durch einen Drehmomenterzeuger 14 bestimmt, wie beispielsweise ein Teil No. 2375-038, das kommerziell von der Magnettechnologie-Ab­ teilung der Vernitron Corporation von Canoga Park, Califor­ nien, USA erhältlich ist, und eine Ausgangsanzeige bzw. -angabe der Winkelausrichtung wird durch einen Drehmelder 16 bzw. ein Synchro 16 geliefert, wie beispielsweise durch ein Teil No. VSP20-6, das kommerziell von der Vernitron-Steuer­ komponenten-Abteilung der Vernitron Corporation von San Diego, Californien, USA erhältlich ist.
Der azimutale Kardanrahmen 10 definiert bzw. bildet ein Querstück 18 und ein Paar von parallelen Armen 20 und 22. Auf den beiden Armen ist drehbar ein Paar von in kardani­ scher Aufhängung schwenkbaren Wellen 23 und 25 angebracht, die längs Achsen angeordnet sind, nämlich nominell X-Achsen 24 und 26. Die Wellen 23 und 25 sind mittels einer Riemen­ übertragung 28, die ein gewünschtes Übertragungsverhältnis hat, hier 2 : 1, wie dargestellt, miteinander verbunden.
Ein Spiegel 30 ist zu einer gewünschten Drehausrichtung entlang der Achse 24 angeordnet und auf der in kardanischer Aufhängung schwenkbaren Welle 23 angebracht, und dieser Spiegel liefert eine stabilisierte Sichtlinie für ein ge­ wünschtes Optiksystem (nicht gezeigt), das betriebsmäßig mit demselben verbunden ist, und dieses Optiksystem ist starr mit der Welle 12 verbunden. Ein Drehmomenterzeuger 32 bestimmt die Spiegelausrichtung um die Achse 24, während ein Drehmelder bzw. Synchro 34 eine Ausgangsanzeige bzw. -angabe dieser Winkelausrichtung liefert.
Ein Sensorblock 40 ist auf der in kardanischer Aufhängung schwenkbaren Welle 25 angebracht und umfaßt typischer- bzw. vorzugsweise ein X-Raten- bzw. X-Geschwindigkeits-Gyroscop 42, wie beispielsweise das Teil No. 2417, das kommerziell von der TAMAM-Abteilung der Israel Aircraft Industries er­ hältlich ist, sowie einen Nick- bzw. Querbeschleunigungs­ messer 44 und einen Gier- bzw. Seitenbewegungsbeschleuni­ gungsmesser 46, sowie zusätzlich ein Gyroscop 48, das zwei Freiheitsgrade besitzt, wie beispielsweise TAMAM-Minitune- Gyroscop, das von der TAMAM-Abteilung der Israel Aircraft Industries von Lod, Israel als Teil No. 574 erhältlich ist.
Es sei nun zusätzlich auf Fig. 1 Bezug genommen, aus der ersichtlich ist, das ein Navigationscomputer 10, wie bei­ spielsweise ein solcher, der auf einem Mikroprozessor Intel 80386 basiert und in Fig. 2 nicht zu sehen ist, die fol­ genden Eingangsgrößen empfängt:
eine Anzeige bzw. Angabe der Trägheitswinkelgeschwindigkeit um die X-Achse des Sensorblocks 40 vom X-Raten- bzw. X-Ge­ schwindigkeits-Gyroscop 42;
eine Anzeige bzw. Angabe des Spiegelerhebungskardanrahmen­ winkels vom Drehmelder bzw. Synchro 34;
eine Anzeige bzw. Angabe des Spiegelazimutkardanrahmenwin­ kels vom Drehmelder bzw. Synchro 16, welcher Winkel den Winkel zwischen dem Azimutkardanrahmen und dem drehbaren Panzerturm repräsentiert;
eine Anzeige bzw. Angabe des HULL-Drehpanzerturm-Winkels von einem nicht gezeigten Sensor;
eine Anzeige bzw. Angabe der Entfernung, die von dem Tank bzw. Panzerfahrzeug o.dgl. durchlaufen worden ist, von ei­ ner Entfernungsübertragungseinheit (nicht gezeigt), wie beispielsweise einer DTU (Entfernungs-Übertragungs-Ein­ heit), die kommerziell von der TAMAM-Abteilung der Israel Aircraft Industries erhältlich ist; und
eine Anzeige bzw. Angabe des statischen Luftdrucks und mög­ licherweise auch der Temperatur von Instrumenten (nicht ge­ zeigt) her.
Der Navigationscomputer verkehrt über einen Übertragungs­ bzw. Datenübertragungskanal 8, wie beispielsweise einen RS- 422 oder MUX-BUS 1553B für die Wechselwirkung mit Bedie­ nungspersonbefehlen und anderen Systemen sowie Sichtanzei­ geeinrichtungen.
Der Navigationscomputer führt fahrzeugfeste Berechnungen aus, indem der x- und y-Drehmomenterzeuger-Eingangsgrößen an die Drehmomenterzeuger 14 und 32 über das Gyro bzw. Gy­ roscop 48 und konventionelle Gyro- bzw. Gyroscopausgangs­ elektronikverstärkungsschaltungen 50 und 52 liefert. Die Beschleunigungsmesser 44 und 46 sprechen auf die Bewegungen an, welche durch Betätigung der Drehmomenterzeuger 14 und 32 erzeugt werden, um Ausgangsanzeigen bzw. -angaben der Position und des Drehmoments an den Navigationscomputer über konventionelle Elektronikverstärkungsschaltungen 54 und 56 und Präzisions-Analog-zu-Oigital-Umsetzer 58 bzw. 60 zu liefern.
Es ist ein spezielles Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die gleichen Drehmomenterzeuger und Beschleunigungs- und Positionssensoren sowohl dazu verwendet werden, eine stabi­ lisierte optische Plattform zur Verfügung zu stellen, als auch dazu, eine Trägheitsnavigation zu liefern.
Es sei nun die Betriebsweise der Einrichtung der Fig. 1 und 2 für Navigationszwecke kurz beschrieben:
Konventionelle fahrzeugfeste Berechnungen werden ausge­ führt, wie in der folgenden Literaturstelle beschrieben: "Strapdown Inertial Navigation Systems, an Algorithm for Attitude and Navigation Computations" ("Fahrzeugfeste Träg­ heitsnavigationssysteme, ein Algorithmus für Stellungs- und Navigationsberechnungen") von R.B. Miller, Aeronautical Re­ search Labs., Australien. Informationen zum Ausführen der fahrzeugfesten Berechnungen werden vom Gyroscop 42, von den Drehmeldern bzw. Synchros 16 und 34, von den Beschleuni­ gungsmessern 44 und 66 sowie zusätzlich vom Gyroscop 48 her empfangen. Die fahrzeugfesten Berechnungen werden sowohl dazu verwendet, eine Ausgangsanzeige bzw. -angabe der Stel­ lung über den Übertragungskanal 8 zu liefern, als auch dazu, die Drehmomenterzeuger 14 und 32 zur korrekten Posi­ tionierung des Spiegels 30 zu betreiben. Der Ort wird be­ rechnet durch Integration der Odometer- bzw. Entfernungs­ messerdaten, die auf die Nord- und Ost-Achsen projiziert worden sind, und zwar unter Verwendung des berechneten Azi­ mutwinkels.
Es sei nun auf die Fig. 3 und 4 Bezug genommen, die ein integriertes, stabilisiertes Optik- und Navigationssystem veranschaulichen, das eine stabilisierte Kameraplattform aufweist, und zwar gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung. In Fig. 3 ist schematisch eine stabi­ lisierte Plattform gezeigt, die einen äußeren Halter 70 um­ faßt, der auf einem Drehmomenterzeuger 72 für eine Drehung um die Z-Achse angebracht ist. Auf dem Halter 70 ist dreh­ bar ein Zwischenhalter 74 angebracht, der für eine wahl­ weise Drehung um eine X-Achse mittels eines Drehmomenter­ zeugers 76 eingerichtet ist. Auf dem Halter 74 ist drehbar ein stabilisierter Plattformhalter bzw. -träger 78 ange­ bracht, der für eine wahlweise Drehung um eine Y-Achse mit­ tels eines Drehmomenterzeugers 80 eingerichtet ist. Eine Kamera 82 und Zoomoptiken oder irgendeine andere geeignete Nutzlast sind bzw. ist auf der Plattform 78 angebracht.
Beschleunigungsmesser 84, 86 und 88 sind entlang der X- bzw. entlang der Y- bzw. entlang der Z-Achse zum Messen der Beschleunigung um diese Achsen angeordnet. Raten-Gyroscope 90, 92 und 94 sind entlang der X- bzw. der Y- bzw. der Z- Achse zum Messen der Drehverlagerung entlang diesen Achsen angeordnet, insbesondere zum Messen der Geschwindigkeit derselben.
Es sei nun auf Fig. 4 Bezug genommen, aus der ein elektri­ sches Blockschaltbild des stabilisierten Optik- und Naviga­ tionssystems, das eine stabilisierte Kameraplattform auf­ weist, ersichtlich ist. Eine Nutzlaststeuertafel 100 lie­ fert Iris- bzw. Blendensteuer-, Verschlußsteuer- und Zoom­ steuer-Ausgangsgrößen an die Kamera 82 (Fig. 3). Die Steu­ ertafel 100 liefert außerdem ein Nick- bzw. Quergeschwin­ digkeits-Steuersignal über einen Komparator 102 und eine elektrische stabilisierte Schleifen-Nick- bzw. -Neigungs­ steuerung 104 zum Drehmomenterzeuger 80. Das Ratengyroscop 92 liefert eine Rückkopplungseingangsgröße an den Kompara­ tor 102. Ein Nick- bzw. Neigungsaufnehmer 93 liefert eine Ausgangsanzeige bzw. -angabe der Neigung bzw. des Nickens.
Die Steuertafel 100 liefert außerdem ein Roll- bzw. Schlin­ gergeschwindigkeits-Steuersignal über einen Komparator 106 und eine stabilisierte elektrische Schleifen-Roll- bzw. Schleifen-Schlinger-Steuerung 108 an den Drehmomenterzeuger 76. Das Ratengyroscop 90 liefert eine Rückkopplungsein­ gangsgröße an den Komparator 106. Ein Roll- bzw. Schlinger­ aufnehmer 95 liefert eine Ausgangsanzeige bzw. -angabe des Rollens bzw. Schlingerns bzw. der Roll- bzw. Schlinger­ größe.
Die Steuertafel 100 liefert auch ein Gier- bzw. Seitenbewe­ gungsgeschwindigkeits-Steuersignal über einen Komparator 110 und eine stabilisierte elektrische Schleifen-Gier- bzw. -Seitenbewegungssteuerung 112 an den Drehmomenterzeuger 72. Das Ratengyroscop 94 liefert eine Rückkopplungseingangs­ größe an den Komparator 110. Ein Gier- bzw. Seitenbewe­ gungsaufnehmer 97 liefert eine Ausgangsanzeige bzw. -angabe des Gierens bzw. der Seitenbewegung bzw. der Giergröße bzw. der Seitenbewegungsgröße.
Eine Analogschaltungstafel 120 weist Komparatoren 102, 106 und 110 auf, sowie stabilisierte Schleifenschaltungen bzw. -kreise 104, 108 und 112.
Ein Koordinatenwandler bzw. -zerleger 99 ist an den Drehmo­ menterzeuger 72 angekoppelt und liefert einen koordinaten­ zerlegten Ausgang an die Nutzlaststeuertafel. Die stabili­ sierten Schleifenschaltungen bzw. -kreise 104, 108 und 112 umfassen typischer- bzw. vorzugsweise ein Kompensations­ netzwerk, das seine Ausgangsgrößen an einen Leistungsver­ stärker abgibt.
Eine Navigationscomputertafel 130, die typischer- bzw. vor­ zugsweise einen Intel ISBC 386/21 umfaßt, empfängt die Aus­ gangsgrößen der Raten- bzw. Geschwindigkeitsgyroscope 90, 92 und 94 und der Beschleunigungsmesser 84, 86 und 88. Die Navigationscomputertafel 130 empfängt außerdem drei Kardan­ rahmenwinkel und Betriebsweisen-Befehlsinformation von der Nutzlaststeuertafel über eine serielle Schnittstelle 132.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die be­ schriebenen und/oder dargestellten Ausführungsformen be­ schränkt, sondern sie läßt sich im Rahmen des Gegenstandes der Erfindung, wie er in den Patentansprüchen angegeben ist, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens, wie er sich aus den gesamten Unterlagen entnehmen läßt, in vielfältiger Weise abwandeln und mit Erfolg ausführen.

Claims (4)

1. Integriertes, stabilisiertes Optik- und Navigations­ system, dadurch gekennzeichnet, daß es folgendes umfaßt:
eine in kardanischer Aufhängung schwenkbare Plattform (10; 70, 74, 78);
Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsfühler bzw. -sensoren (40 bis 46; 84 bis 88, 90 bis 94), die mit der in kardani­ scher Aufhängung schwenkbaren Plattform (10; 70, 74, 78) verbunden bzw. dieser Plattform (10; 70, 74, 78) zugeordnet sind;
eine Plattformpositionierungseinrichtung (14, 32; 72, 76, 80), die auf die Ausgangsgrößen der Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsfühler bzw. -sensoren (40 bis 46; 84 bis 88, 90 bis 94) anspricht, und zwar zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Ausrichtung der in kardanischer Aufhän­ gung schwenkbaren Plattform (10; 70, 74, 78); und
einen Navigationscomputer (10′), der auf die Ausgangsgrößen der Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsfühler bzw. -sen­ soren (40 bis 46; 84 bis 88, 90 bis 94) anspricht, und zwar zur Lieferung einer Ausgangsanzeige bzw. -angabe des Orts.
2. Integriertes, stabilisiertes Optik- und Navigations­ system nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beschleunigungs- und Geschwindigkeits­ fühler bzw. -sensoren (40 bis 46; 84 bis 88, 90 bis 94) in einer fahrzeugfesten Trägheitsmeßeinheit ausgeführt bzw. eingebaut sind.
3. Integriertes, stabilisiertes Optik- und Navigations­ system nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in kardanischer Aufhängung schwenkbare Plattform (10) einen Halter bzw. Träger (18) für eine Abbildungseinrichtung (30) umfaßt.
4. Integriertes, stabilisiertes Optik- und Navigations­ system nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in kardanischer Aufhängung schwenkbare Plattform (70, 74, 78) einen Halter bzw. Träger (78) für eine Kamera (82), vorzugsweise für eine Fernseh­ kamera oder eine Vorwärtssicht-Infrarot-Kamera, umfaßt.
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