DE69200750T2 - Kreiselsystem zum Vermessen der Kreisellage. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf ein Kreiselsystem, mit dem die Neigung der von den Drehachsen des Haupt- und Nebenrahmens bestimmten Ebene gegenüber den Drehachsen der Rahmen mit einwandfreier Auflösung gemessen werden kann.
• Das erfindungsgemäße System ist dadurch vorteilhaft, daß es weder zu Reibung noch zu einem störenden Drehmoment führt. Außerdem ist keine Anbringung von Drehkontakten erforderlich.
• In der am 7. November 1990 auf den Namen des Anmelders erfolgten französischen Patentanmeldung Nr. 90 13806 wurde ein Kreiselsystem beschrieben, das umfaßt:
• - einen Kreisel mit Mittelpunkt, der um eine erste durch den Mittelpunkt des Kreisels verlaufende Achse in Drehung versetzt werden kann;
• - einen Hauptrahmen, an dem der Kreisel so angebracht ist, daß er sich um die erste Achse drehen kann;
• - einen Nebenrahmen, an dem der Hauptrahmen so angebracht ist, daß er sich um eine zweite Achse, die durch den Mittelpunkt des Kreisels senkrecht zur ersten Achse verläuft, drehen kann;
• - ein Gehäuse, in dem der Kreisel und der Haupt- und Nebenrahmen angebracht sind und an dem der Nebenrahmen so angeordnet ist, daß er sich um eine dritte Achse drehen kann, die durch den Mittelpunkt des Kreisels senkrecht zur zweiten Achse verläuft, wobei der Kreisel derart ausgeführt ist, daß seine Außenfläche mindestens in der Nähe der von der zweiten und dritten Achse bestimmten Ebene die Form einer Kugel hat, die um den Mittelpunkt herum angeordnet ist und einen Komplex von Zonen mit wechselndem Kontrast aufweist, während der Nebenrahmen drehbar über Naben angeordnet ist, die die dritte Achse bilden und von denen mindestens eine hohl ist;
• - mit dem Gehäuse verbundene Beleuchtungsmittel, die ein auf die dritte Achse gerichtetes Lichtbündel aus senden, so daß durch die Hohlnabe auf der kugelförmigen Außenfläche des Kreisels ein Lichtfleck gebildet wird;
• - lichtempfindliche Mittel, die mit dem Gehäuse verbunden sind und mit denen durch die Hohlnabe hindurch der durch die Beleuchtungsmittel gebildete Lichtfleck beobachtet werden kann; und
• - Rechenmittel, um aus den Informationen der lichtempfindlichen Mittel den Drehwinkel des Gehäuses um die zweite Achse zu errechnen.
• Siehe auch Dokument FR-A-2 506 007.
• Gegenstand dieser Erfindung ist ein Kreiselsystem dieser Art, das so verbessert wurde, daß es außerdem den Drehwinkel des Gehäuses um die dritte Achse abgeben kann.
• Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Kreiselsystem mit:
• - einem Kreisel mit Mittelpunkt, der um eine erste durch den Mittelpunkt verlaufende Achse in Drehung versetzt werden kann;
• - einem Hauptrahmen, an dem der Kreisel so angebracht ist, daß er sich um die erste Achse drehen kann;
• - einem Nebenrahmen, an dem der Hauptrahmen so angebracht ist, daß er sich um eine zweite Achse drehen kann, die durch den Mittelpunkt des Kreisels senkrecht zur ersten Achse verläuft;
• - einem Gehäuse, in dem der Kreisel und der Haupt- und Nebenrahmen angebracht sind und an dem der Nebenrahmen so angeordnet ist, daß er sich um eine dritte Achse drehen kann, die durch den Mittelpunkt des Kreisels senkrecht zur zweiten Achse verläuft, wobei der Kreisel derart ausgeführt ist, daß seine Außenfläche mindestens in der Nähe der von der zweiten und dritten Achse bestimmten Ebene die Form einer Kugel hat, die um den Mittelpunkt herum angeordnet ist und einen Komplex von Zonen mit wechselndem Kontrast aufweist, während der Nebenrahmen drehbar am Gehäuse über Naben angeordnet ist, die die dritte Achse bilden und von denen mindestens eine hohl ist;
• - ersten Beleuchtungsmitteln, die mit dem Gehäuse verbunden sind und ein erstes auf die dritte Achse gerichtetes Lichtbündel abgeben, so daß durch die Hohlnabe auf der kugelförmigen Außenfläche des Kreisels ein erster Lichtfleck gebildet wird;
• - ersten lichtempfindlichen Mitteln, die mit dem Gehäuse verbunden sind und dazu dienen, durch die Hohlnabe den von den ersten Beleuchtungsmitteln gebildeten ersten Lichtfleck zu beboachten; und
• - ersten Rechenmitteln, um aus den von den ersten lichtempfindlichen Mitteln abgegebenen Informationen den Drehwinkel β des Gehäuses um die zweite Achse zu errechnen;
• dadurch bemerkenswert, daß es umfaßt:
• - zweite Beleuchtungsmittel, die mit dem Gehäuse verbunden sind und ein zweites Lichtbündel abgeben, das auf eine vierte Achse gerichtet ist, die durch den Mittelpunkt koplanar mit der zweiten und dritten Achse verläuft, so daß auf der kugelförmigen Außenfläche des Kreisels ein zweiter Lichtfleck entsteht, wobei die vierte Achse mit der zweiten Achse einen feststehenden Winkel ε bildet;
• - zweite lichtempfindliche Mittel, die mit dem Gehäuse verbunden sind, zur Beobachtung des von den zweiten Beleuchtungsmitteln gebildeten Lichtflecks; und
• - zweite Rechenmittel, um aus dem feststehenden Winkel ε und den Messungen β und A der ersten bzw. zweiten lichtempfindlichen Mittel die Menge A/cosβ.cosε zu errechnen, die für den Drehwinkel α des Gehäuses um die dritte Achse repräsentativ ist. Das Kreiselsystem entspricht den Patentansprüchen.
• Vorzugsweise erfolgen die Beleuchtung der kugelförmigen Außenfläche des Kreisels durch die zweiten Beleuchtungsmittel sowie die Beobachtung des zweiten Lichtflecks durch die zweiten lichtempfindlichen Mittel durch die Hohlnabe hindurch.
• Es ist also vorteilhaft, wenn die ersten und zweiten Beleuchtungsmittel und die ersten und zweiten lichtempfindlichen Mittel in einem einzigen Detektor zusammengefaßt sind, der sich mindestens zum Teil in der Hohlnabe befindet. Dieser Detektor kann umfassen:
• - ein erstes lichtemittierendes Element, das außerhalb der Hohlnabe angeordnet und mit einem ersten Lichtwellenleiter innerhalb der Hohlnabe zur Bildung des ersten Lichtflecks verbunden ist;
• - ein erstes lichtempfindliches Element, das außerhalb der Hohlnabe angeordnet und mit einem zweiten Lichtwellenleiter innerhalb der Hohlnabe zur Beobachtung des ersten Lichtflecks verbunden ist;
• - ein zweites lichtemittierendes Element, das außerhalb der Hohlnabe angeordnet und mit einem dritten Lichtwellenleiter innerhalb der Hohlnabe zur Bildung des zweiten Lichtflecks verbunden ist; und
• - ein zweites lichtempfindliches Element, das außerhalb der Hohlnabe angeordnet und mit einem vierten Lichtwellenleiter innerhalb der Hohlnabe zur Beobachtung des zweiten Lichtflecks verbunden ist.
• Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der kugelförmigen Fläche des Kreisels und den derselben gegenüberliegenden Enden des ersten und zweiten Lichtwellenleiters gleich dem Abstand zwischen der kugelförmigen Fläche des Kreisels und den derselben gegenüberliegenden Enden des dritten und vierten Lichtwellenleiters.
• Dieser Detektor kann einen Körper mit einem mittleren Teil, durch den der erste bis vierte Lichtwellenleiter verlaufen, und einem Seitenarm haben, durch den der dritte und vierte Lichtwellenleiter verlaufen.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsart, bei der die Messungen der zweiten lichtempfindlichen Mittel beispielsweise bei Schwingungen des Kreiselsystems kontrolliert werden können, werden zusätzlich vorgesehen:
• - dritte, mit dem Gehäuse verbundene Beleuchtungsmittel, die ein drittes Lichtbündel aus senden, das auf eine fünfte durch den Mittelpunkt, koplanar mit der zweiten und dritten Achse verlaufende Achse gerichtet ist, zur Bildung eines dritten Lichtflecks auf der kugelförmigen Außenfläche des Kreisels, wobei die fünfte Achse einen feststehenden Winkel δ mit der zweiten Achse bildet;
• - dritte, mit dem Gehäuse verbundene lichtempfindliche Mittel zur Beobachtung des dritten, von den dritten Beleuchtungsmitteln gebildeten Lichtflecks; und
• - dritte Rechenmittel, um aus dem feststehenden Winkel δ und den Messungen β und B der ersten bzw. dritten lichtempfindlichen Mittel die Menge B/cosβ.cosδ zu berechnen, die für den Drehwinkel α des Gehäuses um die dritte Achse repräsentativ ist.
• Vorzugsweise ist die fünfte Achse mit der vierten Achse gegenüber der dritten Achse symmetrisch, so daß der absolute Wert der feststehenden Winkel ε und δ gleich ist.
• Analog zum oben Gesagten erfolgen die Beleuchtung der kugelförmigen Außenfläche des Kreisels durch die dritten Beleuchtungsmittel sowie die Beobachtung des dritten Lichtflecks durch die dritten lichtempfindlichen Mittel vorzugsweise durch die Hohlnabe.
• Es ist dann vorteilhaft, wenn die dritten Beleuchtungsmittel und die dritten lichtempfindlichen Mittel in einem einzigen Detektor zusammengefaßt werden.
• Der einzige Detektor umfaßt also außerdem:
• - ein drittes lichtemittierendes Element außerhalb der Hohlnabe, das mit einem fünften Lichtwellenleiter innerhalb der Hohlnabe zur Bildung des dritten Lichtflecks verbunden ist; und
• - ein drittes lichtempfindliches Element außerhalb der Hohlnabe, das mit einem sechsten Lichtwellenleiter innerhalb der Hohlnabe zur Beobachtung des dritten Lichtflecks verbunden ist.
• Es ist gleichfalls vorteilhaft, wenn die der kugelförmigen Fläche des Kreisels gegenüberliegenden Enden des fünften und sechsten Lichtwellenleiters den gleichen Abstand wie die entsprechenden Enden des ersten und vierten Lichtwellenleiters aufweisen.
• Der Körper des Detektors enthält dann einen weiteren Seitenarm mit dem fünften und sechsten Lichtwellenleiter, die ebenfalls durch den mittleren Teil des Detektors verlaufen. Dieser weitere Seitenarm kann mit dem ersten gegenüber dem mittleren Teil symmetrisch sein.
• Nach einer vorteilhaften Anwendung wird mit dem erfindungsgemäßen Kreiselsystem die Winkelposition der Gierachse und der Nickachse eines Luftfahrzeugs gegenüber der Vertikalen eventuell bei Autorotation erfaßt. Dazu wird das Gehäuse so am Luftfahrzeug befestigt, daß die dritte Drehachse des Nebenrahmens gegenüber dem Gehäuse mit der Längsachse des Luftfahrzeugs zusammenfällt.
• Die Figuren der beigefügten Zeichnung erleichtern das Verständnis dafür, wie die Erfindung verwirklicht werden kann. In diesen Figuren werden mit identischen Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnet.
• Figur 1 zeigt eine Ausführungsart des erfindungsgemäßen Kreiselsystems nach einer Schnittebene durch die Drehachse des Kreisels und durch die Drehachse des Nebenrahmens.
• Figur 2 zeigt das Kreiselsystem von Figur 1 nach einer Schnittebene durch die Drehachse des Hauptrahmens und durch die Drehachse des Nebenrahmens, wobei diese Figur 2 Linie II-II von Figur 1 entspricht.
• Figur 3 veranschaulicht schematisch die Anordnung der Sensoren gegenüber dem Kreisel und dem Haupt- und Nebenrahmen.
• Figur 4 zeigt in der Übersicht ein Beispiel von Kontrastzonen, die Mittel zur Codierung der Rotation des Kreisels darstellen.
• Figur 5 ist eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen einzigen Detektors.
• Figur 6 ist der Detektor von Figur 5 von vorne gesehen.
• Die Figuren 7, 8 und 9 sind Schnitte nach den Linien VII-VII, VIII-VIII bzw. IX-IX von Figur 5.
• Figur 10 ist das Blockschaltbild einer Ausführungsart der elektronischen Mittel zur Verarbeitung der von den lichtempfindlichen Mitteln abgegebenen Informationen.
• Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kreiselsystems hat ein Gehäuse 1 mit der Längsachse L-L', in dem ein kugelförmiger Kreisel 2, ein Hauptrahmen 3 und ein Nebenrahmen 4 angebracht sind. Das Gehäuse 1 besteht aus einem Kasten 1A, der im oberen Teil mit einem Deckel 1B abgeschlossen werden kann.
• Der Kreisel 2, dessen Mittelpunkt mit O bezeichnet ist, ist am Hauptrahmen 3 drehbar um die Z-Z-Achse (dient als Vertikalenreferenz) in einander diametral entgegengesetzten Wälzlagern 5 und 6 angebracht, die am Hauptrahmen 3 mit Hilfe von Muttern 7 und 8 befestigt sind. Die Drehung von Kreisel 2 um die Z-Z'-Achse kann durch jedes bekannte Mittel, z.B. eine Spiralblattfeder, bewirkt werden, wie im amerikanischen Patent US-A-4 709 586 beschrieben.
• Durch erste Wälzlagernaben 9 und 10, die mit dem Nebenrahmen 4 verbunden sind, kann der Hauptrahmen 3 gegenüber dem Nebenrahmen 4 um eine Y-Y'-Achse schwenken, die im Mittelpunkt O auf die Z-Z'- Achse trifft. Außerdem verläuft die Y-Y'-Achse senkrecht zur Z-Z'- Achse.
• Weiterhin bilden zweite, einander entgegengesetzte Wälzlagernaben 11 und 12, die mit dem Gehäuse 1 verbunden sind, für den Nebenrahmen 4 eine Drehachse X-X' gegenüber dem Gehäuse 1. Die X-X'-Achse verläuft durch den Mittelpunkt O senkrecht zur Z-Z'-- und Y-Y'-Achse.
• Das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Kreiselsystem weist somit die in Figur 3 in der Perspektive schematisch veranschaulichte Struktur auf. Die Z-Z'-Achse von Kreisel 2 dient als Vertikalenreferenz. Wenn sich die Lage von Gehäuse 1 verändert, ergeben sich damit die relativen Drehungen α und β um die X-X'- und Y-Y'-Achse zwischen Gehäuse 1 sowie Hauptrahmen 3 und Nebenrahmen 4.
• Wie im weiteren zu sehen ist, hat die kugelförmige Fläche von Kreisel 2 Markierungen 13, beispielsweise Gravierungen, die mit einem Sensor 14 zusammenwirken können, um die Drehung zu bestimmen, die Gehäuse 1 um die Beobachtungslinie von Sensor 14 ausgeführt hat. Die Markierungen 13 stellen auf der kugelförmigen Fläche von Kreisel 2 einander abwechselnde helle und dunkle Zonen dar, die vom Sensor 14 erfaßt werden können. Sie können so ausgeführt sein, wie in der oben erwähnten französischen Patentanmeldung beschrieben. Sie können ebenfalls, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, aus einer Folge gleichseitiger Dreiecke bestehen.
• Es ist leicht zu verstehen, daß der mit Gehäuse 1 verbundene Sensor 14, wenn er Stellung 14.I einnimmt, in der seine Beobachtungslinie mit der X-X'-Achse zusammenfällt, bei Beobachtung der Markierungen 13 von Kreisel 2 den Wert des Drehwinkels β von Gehäuse 1 um die Y-Y'-Achse mißt. Dagegen mißt der mit Gehäuse 1 verbundene Sensor 14, wenn er Stellung 14.II einnimmt, in der seine Beobachtungslinie mit der Y-Y'-Achse zusammenfällt, bei Beobachtung der Markierungen 13 von Kreisel 2 die Menge α.cosβ, wobei α der Wert der Drehung von Gehäuse 1 um die X-X'-Achse ist. Außerdem ist ersichtlich, daß der mit Gehäuse 1 verbundene Sensor 14, wenn er eine Stellung 14.III einnimmt, in der seine Beobachtungslinie mit einer Achse 15 radial zu Kugel 2 und koplanar mit der X-X'- und Y- Y'-Achse zusammenfällt, wobei die Achse 15 mit der Y-Y'-Achse einen feststehenden Winkel ε bildet, dann die Menge A = α.cosβ.cosε mißt. Ebenso ist ersichtlich, daß der Sensor 14, wenn er Stellung 14.IV einnimmt, in der seine Beobachtungslinie mit einer Achse 16 radial zur Kugel 2 und koplanar mit der X-X'- und Y-Y'-Achse zusammenfällt, wobei die Achse 16 mit der Y-Y'-Achse einen feststehenden Winkel δ bildet, die Menge B = α.cosβ.cosδ mißt. Wenn die Achsen 15 und 16 gegenüber der X-X'-Achse symmetrisch zueinander angeordnet sind, sind die absoluten Werte A und B der Mengen A und B gleich, da dann der absolute Wert ε von Winkel ε gleich dem absoluten Wert δ von Winkel δ ist.
• In Figur 4 wurde ein Teil der kugelförmigen Fläche von Kreisel 2, deren erfaßbare Zonen ein besonderes Ausführungsbeispiel darstellen, abgewickelt dargestellt. In diesem Beispiel bestehen die dunklen Zonen 13 aus einer Folge benachbarter identischer gleichseitiger Dreiecke mit einer Höhe parallel zur Z-Z'-Achse, die miteinander durch einen Scheitelpunkt ihrer Grundfläche verbunden sind, so daß auf der Oberfläche von Kreisel 2 zwischen zwei dunklen aufeinanderfolgenden Dreiecken 13 eine helle Zone 17 liegt, die ebenfalls die Form eines gleichseitigen Dreiecks hat.
• Wenn die von den Achsen X-X' und Y-Y' bestimmte Ebene senkrecht zur Z-Z'-Achse verläuft, bildet die Beobachtungslinie von Sensor 14 auf der Oberfläche von Kreisel 2 bei der Drehung eine Linie 18, so daß die Längen L1 und L2 der Zonen 13 und 17, durch die Linie 18 verläuft, gleich sind. Wenn dagegen die von der X-X'- und Y-Y'- Achse bestimmte Ebene in einer Richtung um eine der Achsen schwenkt, verschiebt sich die Linie 18 nach 18', und es ergeben sich ungleiche Längen von L1' und L2', wobei L1' kleiner als L2' ist. Wenn die Ebene in die andere Richtung schwenkt, verschiebt sich Linie 18 nach 18", und es ergeben sich die Längen L1" und L2", die ebenfalls ungleich sind, wobei L1" jetzt jedoch größer als L2" ist.
• Es ist also zu sehen, daß der Sensor durch Messung von L1,L2, L1',L2', L1",L2" Umfang und Richtung der Schwenkung der von der X-X'- und Y-Y'-Achse bestimmten Ebene ermitteln kann.
• Der Drehwinkel β um die Y-Y'-Achse wird direkt durch den Sensor 14 in Stellung 14.I bestimmt, während von Sensor 14 in Stellung 14.III die Menge A = α.cosβ.cosε gemessen wird.
• Da β ausgehend von Stellung 14.I von Sensor 14 bestimmt wird und ε ein bekannter feststehender Winkel ist, kann a also nach der Formel α = A/cosβ.cosε berechnet werden. In Stellung 14.IV führt der Sensor 14 auch eine redundante Messung von α = B/cosβ.cosδ aus, so daß aus diesen beiden Messungen von α der Ist-Wert von α mit höherer Genauigkeit bestimmt werden kann.
• Mit zwei oder drei Sensoren 14, die jeweils in 14.I, 14.III und/oder 14.IV angeordnet sind, ist es somit möglich, die Drehwinkel α und β zu messen.
• Dazu wird erfindungsgemäß ein Mehrfachdetektor 20, wie in den Figuren 1, 2 und 5 bis 9 dargestellt, vorgesehen.
• Der Detektor 20 hat einen Körper zum Beispiel aus Formstoff, der aus einem mittleren Teil 21 besteht, das sich auf der einen Seite in einer Grundfläche 22 und auf der anderen Seite in zwei Armen 23 und 24 fortsetzt. Der Mehrfachdetektor 20 kann an einer Außenseite von Gehäuse 1 mit Teilen 25 und 26 befestigt werden, die seine Grundfläche 22 umspannen, so daß der Mittelteil 21 des Detektors dann durch den Nebenrahmen 4 und die Nabe 11 verläuft, wobei sich die Arme 23 und 24 zwischen dem Nebenrahmen 4 und dem Kreisel 2 befinden. Wenn der Mehrfachdetektor 20 so mit dem Gehäuse 1 verbunden ist, nehmen die dem Kreisel zugewandten entsprechenden Endflächen 27, 28 und 29 des Mittelteils 21 und der Arme 23 und 24 die oben definierten Stellungen 14.I, 14.III bzw. 14.IV ein. Vorzugsweise haben die Flächen 27, 28 und 29 zur Oberfläche des Kreisels 2 einen gleichen Abstand.
• Innerhalb der Grundfläche 22 befinden sich drei lichtemittierende Vorrichtungen 31,32,33, zum Beispiel von der Art einer Diode, und drei Lichtempfänger 34,35,36, zum Beispiel von der Art eines Transistors. Die lichtemittierenden Vorrichtungen 31,32,33 und die Lichtempfänger 34,35,36 sind mit elektrischen Anschlußklemmen 37 verbunden.
• Das von den lichtemittierenden Vorrichtungen 31,32,33 abgegebene Licht gelangt über entsprechende Lichtwellenleiter 38,39,40 bis zu den Endf lächen 27,28,29 von Detektor 20, die dem kugelförmigen Teil von Kreisel 2 gegenüberliegen. Auf diesem kugelförmigen Teil bildet das von den lichtemittierenden Vorrichtungen 31,32,33 abgegebene Licht praktisch punktförmige Lichtflecken, deren Durchmesser beispielsweise kleiner als 80 µm ist und vorzugsweise eine Größenordnung von 35 µm hat. Die Lichtflecken werden jeweils vom Ende anderer Lichtwellenleiter 41,42,43 innerhalb von Detektor 20 beobachtet, die an den Flächen 27,28,29 enden und das Licht zu den entsprechenden Lichtempfängern 34,35,36 leiten.
• Auf dem Blockschaltbild von Figur 10 des erfindungsgemäßen Kreiselsystems sind der Kreisel 2, die lichtemittierenden Vorrichtungen 31, 32 und 33, die Lichtempfänger 34, 35 und 36 und die Lichtwellenleiter 38 bis 43 dargestellt.
• Aus dem oben Dargelegten wird ersichtlich, daß:
• - das elektrische Signal am Ausgang von Lichtempfänger 35 ein Maß der Längen L1,L1',L1",..., L2,L2',L2",... ist, das für den Winkel β repräsentativ ist;
• - das elektrische Signal am Ausgang von Lichtempfänger 34 ein Maß der Längen L1,L1',L1",..., L2,L2',L2",... ist, das für die Menge A = α.cosβ.cosε repräsentativ ist; und daß
• - das elektrische Signal am Ausgang von Lichtempfänger 36 ein Maß der Längen L1,L1',L1",..., L2,L2',L2",... ist, das für die Menge B = α.cosβ.cosδ repräsentativ ist.
• Das System von Figur 10 hat eine Tabelle 44, in der Winkelwerte für die verschiedenen Wertepaare L1,L2, L1',L2', L1',L2", usw. zusammen mit ihrem Vorzeichen gespeichert sind. Diese Tabelle 44 ist mit verschiedenen Rechenmitteln 45,46 und 47 verbunden, an die die Ausgangssignale der Lichtempfänger 34, 35 bzw. 36 gelangen.
• Die Rechenmittel 46 können an ihrem Ausgang 48 also einen Meßwert für den Winkel β abgeben.
• Der Ausgang 48 der Rechenmittel 46 ist außerdem mit Rechenmitteln 45 und 47 verbunden, denen außerdem die Werte der feststehenden Winkel ε bzw. δ eingegeben wurden.
• Ausgang 49 der Rechenmittel 45 kann also einen Wert A/cosβ.cosε abgeben, der ein Maß für Winkel α ist. Ebenso kann Ausgang 50 der Rechenmittel 47 also einen Wert B/cosβ.cosδ abgeben, der ein weiteres Maß für Winkel α ist.

Claims (14)

1. Kreiselsystem mit:

-einem Kreisel (2) mit einem Mittelpunkt (O), der um eine erste durch den Mittelpunkt verlaufende Achse (Z-Z') in Drehung versetzt werden kann;

-einem Hauptrahmen (3), an dem der Kreisel so angebracht ist, daß er sich um die erste Achse drehen kann;

-einem Nebenrahmen (4), an dem der Hauptrahmen so angebracht ist, daß er sich um eine zweite Achse (Y-Y'), die durch den Mittelpunkt des Kreisels senkrecht zur ersten Achse verläuft, drehen kann;

-einem Gehäuse (1), in dem der Kreisel und der Haupt- und Nebenrahmen gelagert sind, und an dem der Nebenrahmen so angebracht ist, daß er sich um eine dritte Achse (X-X'), die durch den Mittelpunkt des Kreisels senkrecht zur zweiten Achse verläuft, drehen kann, wobei der Kreisel derart ist, daß mindestens in der Nähe der von der zweiten und dritten Achse bestimmten Ebene seine Außenfläche die Form einer um den Mittelpunkt herum angeordneten Kugel hat und einen Komplex von Zonen mit wechselndem Kontrast (13,17) hat, während der Nebenrahmen drehbar am Gehäuse über Naben (11,12) angebracht ist, die die dritte Achse bilden und von denen mindestens eine (11) hohl ist;

-ersten Beleuchtungsmitteln (32), die mit dem Gehäuse verbunden sind und ein erstes auf die dritte Achse gerichtetes Lichtbündel abgeben, um durch die Hohlnabe (11) hindurch auf der kugelförmigen Außenfläche des Kreisels einen ersten Lichtfleck zu bilden;

-ersten mit dem Gehäuse verbundenen lichtempfindlichen Mitteln (35), um durch die Hohlnabe den ersten von den ersten Beleuchtungsmitteln gebildeten Lichtfleck zu beobachten;

-ersten Rechenmitteln (46), um aus Informationen der ersten lichtempfindlichen Mittel den Drehwinkel β des Gehäuses um die zweite Achse berechnen zu können;

-zweiten, mit dem Gehäuse verbundenen Beleuchtungsmitteln (31), die ein zweites Lichtbündel abgeben, um auf der kugelförmigen Außenfläche des Kreisels einen zweiten Lichtfleck zu bilden; und

- zweiten mit dem Gehäuse verbundenen lichtempfindlichen Mitteln (34), um den zweiten von den zweiten Beleuchtungsmitteln gebildeten Lichtfleck beobachten zu können; gekennzeichnet;

- dadurch, daß das zweite Lichtbündel auf eine vierte Achse (15) gerichtet ist, die durch den Mittelpunkt koplanar mit der zweiten und dritten Achse verläuft, wobei die vierte Achse mit der zweiten Achse einen feststehenden Winkel ε bildet; und

- dadurch, daß zweite Rechenmittel (45) vorgesehen sind, um aus den Informationen der zweiten lichtempfindlichen Mittel den Winkel A = α cosβ.cosε zu berechnen, mit dem die Drehung der Achse des Kreisels in der Ebene mit der ersten Achse (Z-Z') und der vierten Achse (15) gemessen wird, und um außerdem aus dem konstruktiv bekannten Winkel ε, dem vorstehend berechneten Winkel β und dem oben berechneten Winkel A den Winkel α zu berechnen, der der Winkel für die Drehung des Gehäuses um die dritte Achse ist.

2. Kreiselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung der kugelförmigen Außenfläche von Kreisel (2) durch die zweiten Beleuchtungsmittel (31) sowie die Beobachtung des zweiten Lichtflecks durch die zweiten lichtempfindlichen Mittel (34) durch die Hohlnabe (11) hindurch erfolgen.

3. Kreiselsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Beleuchtungsmittel und die ersten und zweiten lichtempfindlichen Mittel in einem einzigen Detektor (20) zusammengefaßt sind, der sich mindestens zum Teil in der Hohlnabe (11) befindet.

4. Kreiselsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Detektor (20) umfaßt:

- ein erstes lichtemittierendes Element (32), das außerhalb der Hohlnabe (11) angeordnet und mit einem ersten durch die Hohlnabe verlaufenden Lichtwellenleiter (39) zur Bildung des ersten Lichtflecks verbunden ist;

- ein erstes lichtempfindliches Element (35), das außerhalb der Hohlnabe angeordnet und mit einem zweiten Lichtwellenleiter (42) innerhalb der Hohlnabe zur Beobachtung des ersten Lichtflecks verbunden ist;

- ein zweites lichtemittierendes Element (31), das außerhalb der Hohlnabe angeordnet und mit einem dritten Lichtwellenleiter (38) innerhalb der Hohlnabe zur Bildung des zweiten Lichtflecks verbunden ist; und

- ein zweites lichtempfindliches Element (34), das außerhalb der Hohlnabe angeordnet und mit einem vierten Lichtwellenleiter (41) innerhalb der Hohlnabe zur Beobachtung des zweiten Lichtflecks verbunden ist.

5. Kreiselsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der kugelförmigen Fläche von Kreisel (2) und den derselben gegenüberliegenden Enden des ersten und zweiten Lichtwellenleiters (39,42) gleich dem Abstand zwischen der kugelförmigen Fläche des Kreisels und den derselben gegenüberliegenden Enden des dritten und vierten Lichtwellenleiters (38,41) ist.

6. Kreiselsystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Detektor einen Körper mit einem mittleren Teil (21), durch den der erste bis vierte Lichtwellenleiter verlaufen, und einen Seitenarm hat, durch den der dritte und vierte Lichtwellenleiter verlaufen.

7. Kreiselsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem umfaßt:

- dritte, mit dem Gehäuse verbundene Beleuchtungsmittel (33), die zur Bildung eines dritten Lichtflecks auf der kugelförmigen Außenfläche von Kreisel (2) ein drittes Lichtbündel abgeben, das auf eine fünfte Achse (16) gerichtet, die durch den Mittelpunkt (O) koplanar mit der zweiten und dritten Achse verläuft, wobei die fünfte Achse mit der zweiten Achse einen feststehenden Winkel 5 bildet;

- dritte, mit dem Gehäuse verbundene lichtempfindliche Mittel (36) zur Beobachtung des von den dritten Beleuchtungsmitteln gebildeten dritten Lichtflecks; und

- dritte Rechenmittel (47), um aus den Informationen der dritten lichtempfindlichen Mittel den Winkel B = α cosβ.cosδ berechnen zu können, mit dem die Drehung der Achse des Kreisels in der Ebene mit Achse (Z-Z') und der fünften Achse (16) gemessen wird, und um außerdem aus dem konstruktiv bekannten Winkel δ, dem vorstehend berechneten Winkel β und dem oben berechneten Winkel B den Winkel α berechnen zu können.

8. Kreiselsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Achse (16) mit der vierten Achse gegenüber der dritten Achse symmetrisch ist, so daß die absoluten Werte der feststehenden Winkel ε und δ gleich sind.

9. Kreiselsystem nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung der kugelförmigen Außenfläche des Kreisels durch die dritten Beleuchtungsmittel (33) sowie die Beobachtung des dritten Lichtflecks durch die dritten lichtempfindlichen Mittel (36) durch die Hohlnabe (11) erfolgen.

10. Kreiselsystem nach den Ansprüchen 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Beleuchtungsmittel (33) und die dritten lichtempfindlichen Mittel (36) im einzigen Detektor (20) zusammengefaßt sind.

11. Kreiselsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige Detektor außerdem umfaßt:

- ein drittes lichtemittierendes Element (33), das außerhalb der Hohlnabe angeordnet und zur Bildung des dritten Lichtflecks mit einem fünften Lichtwellenleiter (40), der durch die Hohlnabe verläuft, verbunden ist; und

- ein drittes lichtempfindliches Element (36), das außerhalb der Hohlnabe angeordnet und zur Beobachtung des dritten Lichtflecks mit einem sechsten Lichtwellenleiter (43), der durch die Hohlnabe verläuft, verbunden ist.

12. Kreiselsystem nach den Ansprüchen 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die der kugelförmigen Fläche des Kreisels gegenüberliegenden Enden des fünften und sechsten Lichtwellenleiters den gleichen Abstand haben wie die entsprechenden Enden des ersten bis vierten Lichtwellenleiters.

13. Kreiselsystem nach den Ansprüchen 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des einzigen Detektors einen weiteren Seitenarm zur Aufnahme des fünften und sechsten Lichtwellenleiters hat, die ebenfalls durch den mittleren Teil des Detektors verlaufen.

14. Kreiselsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenarme des Detektors gegenüber der dritten Achse symmetrisch angeordnet sind.