DE69315353T2 - Vorrichtung für die dreidimensionale orientierung eines objektes - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Orientierung eines auf einer ersten Fläche montierten Objekts hinsichtlich einer zweiten Fläche, bestehend aus einem ersten mit der zweiten Fläche verbundenen Gehäuse, einem zweiten Gehäuse, drehbar auf dem ersten Gehäuse rund um eine erste Achse N montiert, welche Achse einen Winkel B1 ungleich Null zu einer Senkrechten Z auf der zweiten Fläche bildet, einem dritten Gehäuse, drehbar auf dem zweiten Gehäuse rund um eine zweite Achse L montiert, welche Achse einen Winkel B2 ungleich Null zu der ersten Achse N bildet, weiterhin bestehend aus ersten und zweiten Antriebsmitteln, eingerichtet für das Rotierenlassen der Gehäuse zwei und drei, wobei die Gehäuse eins, zwei und drei im wesentlichen ringförmig ausgeführt sind.
• Eine ähnliche Vorrichtung ist von der Patentanmeldung EP-A 0.155.922 her bekannt. Diese Patentbeschreibung bezieht sich auf eine Vorrichtung für Aufrechterhaltung einer universellen Tragfläche in einer horizontalen Position und für Rotation einer Radarantenne in einer bestimmten Azimutrichtung.
• In der bekannten Vorrichtung dreht sich das Objekt in der ersten Ebene mit Hilfe eines vierten, im Mittelpunkt der Vorrichtung montierten Gehäuses, welches vierte Gehäuse eine Rotationsf läche zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche bildet. Das vierte Gehäuse, zusammen mit zusätzlichen Mitteln, besetzt die Mitte des Systems, wodurch die Durchführung von Verbindungsmitteln, wie zum Beispiel Kabel und flexible Hohlleiterverbindungen, problematisch ist. Darüber hinaus macht dies die gesamte Konstruktion ziemlich kompliziert.
• Von der Patentanmeldung FR-A 2.562.459 her ist ein Roboterarm bekannt, in dem eine Anzahl identischer, ringförmiger Gehäuse für das Bewegen des Armes benutzt werden. Ein Nachteil dieses Roboterarmes ist, daß sich alle auf dem einen Gehäuse montierten Gehäuse notwendigerweise zusammen mit dem einen Gehäuse drehen.
• Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat den Zweck, diese Nachteile herabzusetzen und ist dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Gehäuse eine drehbare obere Fläche mit einer dritten Rotationsachse M umfaßt, welche Achse einen Winkel B3 ungleich Null zur zweiten Achse L bildet, sowie dritte Antriebsmittel für das Rotierenlassen der drehbaren, oberen Fläche des dritten Gehäuses, daß die ersten, zweiten und dritten Antriebsmittel einen ersten, auf dem ersten Gehäuse montierten Antrieb, eingerichtet für das Rotierenlassen des zweiten Gehäuses hinsichtlich des ersten Gehäuses, einen zweiten auf dem zweiten Gehäuse montierten Antrieb, eingerichtet für das Rotierenlassen des dritten Gehäuses hinsichtlich des zweiten Gehäuses und einen dritten, auf dem dritten Gehäuse montierten Antrieb, eingerichtet für das Rotierenlassen der oberen Fläche des dritten Gehäuses hinsichtlich des dritten Gehäuses, umfassen, daß Winkelindikatoren vorgesehen sind, die für das Messen der Winkelrotation des zweiten Gehäuses, des dritten Gehäuses und der rotierbaren oberen Fläche des dritten Gehäuses eingerichtet sind, und daß Steuermittel vorgesehen sind, die mit den Winkelindikatoren und den Antrieben verbunden sind und die für die Steuerung der Antriebe eins und zwei eingerichtet sind, für die Orientierung der ersten Fläche hinsichtlich der zweiten Fläche sowie für die Steuerung des dritten Antriebs für das Rotierenlassen des Objekts in der ersten Fläche, wobei die etwa durch die Rotation sowohl des zweiten als auch des dritten Gehäuses hervorgerufenen Rotationen kompensiert werden.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse im wesentlichen identisch sind.
• Eine spezielle Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel weiterhin ein erstes, zweites und drittes Getriebe umfassen, eingerichtet für den Antrieb des zweiten Gehäuses, des dritten Gehäuses beziehungsweise der rotierbaren oberen Fläche des dritten Gehäuses.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform der Steuermittel ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel ein Modul für das aus einem Meßsignalvektor φ, einem Bezugssignalvektor und einem Tragfläche-Positionsvektor ψ Bestimmen eines Fehlerwinkelvektors δ, bestehend aus dem Azimutfehlerwinkel δa, dem Elevationsfehlerwinkel δe und dem Rollfehlerwinkel δr zwischen einem auf das Objekt bezogenen Koordinatensystem und einem gewünschten Koordinatensystem und ein Modul für das aus dem Fehlerwinkelvektor δ Bestimmen eines Steuersignalvektors u für den Antrieb der drei Gehäuse umfassen. u wird durch die Übertragungsfunktionen H&sub1;(s), H&sub2;(s) und H&sub3;(s) bestimmt, wobei
• u&sub1;(s) = H&sub1;(s) δa(s)
• u&sub2;(s) = H&sub2;(s) δe(s) + H&sub3;(s) δr(s)
• u&sub3;(s) = H&sub2;(s) δe(s) - H&sub3;(s) δr(s)
• und es sich bei H&sub1;(s), H&sub2;(s) und H&sub3;(s) um Steuersysteme zumindest erster Ordnung handelt.
• Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher ausgeführt, von denen:
• Figur 1 eine Stapelung von drei Gehäusen mit einer obendrauf montierten Antenne darstellt;
• Figur 2 zwei räumlich gegenüber einander verdrehte Koordinatensysteme mit ihren gemeinsamen Winkeln illustriert;
• Figur 3A ein Beispiel eines Gehäuses gemäß der Erfindung darstellt;
• Figur 3B die Draufsicht eines Gehäuses gemäß der Erfindung darstellt;
• Figur 4 die Servogruppe einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt;
• Figur 5 eine zweite, außergewöhnlich vorteilhafte Ausführungsform der Servogruppe der Vorrichtung darstellt.
• Einen Längsschnitt einer möglichen Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt Figur 1. Die Vorrichtung ist gewöhnlich für Montage auf einem Schiffsdeck sowie für das Tragen einer Radarantenne ausgelegt, mit dem Zweck, die Antenne eine gleichförmige Umdrehung in der horizontalen Fläche unabhängig von den Schiffsbewegungen durchführen zu lassen. Die beispielhaft dargestellte Vorrichtung wurde über einen Befestigungsring 1 auf dem Unterbau 2 befestigt, in diesem Fall auf dem Schiffsdeck. Ein unteres, ringförmiges Gehäuse 3 wurde fest mit dem Befestigungsring 1 verbunden. Eine obere Fläche 4 wurde drehbar in einem Lager 5 in einem an dem unteren ringförmigen Gehäuse 3 befestigten Befestigungsring 6 montiert. Die Rotationsachse N des Lagers 5 bildet zu der Normalen Z des Unterbaus einen Winkel β&sub1;. Ein ringförmiges, mittleres Gehäuse 7 wurde auf der oberen Fläche 4 montiert. Eine obere Fläche 8 wurde drehbar in einem Lager 9 in einem mit dem mittleren, ringförmigen Gehäuse verbundenen Befestigungsring 10 montiert. Die Rotationsachse L des Lagers 9 bildet zu der Rotationsachse des Lagers 5 einen Winkel β&sub2;. In der beispielhaft dargestellten Vorrichtung ist β&sub2; gleich β&sub1;, in einer möglichen anderen Ausführungsform können sie jedoch auch ungleich sein.
• Ein oberes, ringförmiges Gehäuse 11 wurde auf der oberen Fläche 8 montiert. Eine obere Fläche 12 wurde drehbar in einem Lager 13 in einem mit dem oberen, ringförmigen Gehäuse 11 verbundenen Befestigungsring 14 montiert. Die Rotationsachse M des Lagers 13 bildet zu der Rotationsachse L des Lagers 9 einen Winkel β&sub3;. In der beispielhaft dargestellten Vorrichtung ist β&sub3; gleich β&sub2;, in einer möglichen anderen Ausführungsform können sie jedoch auch ungleich sein. Auf der drehbaren, oberen Fläche 12 wurde ein Objekt 15, zum Beispiel eine Radarantenne, montiert.
• Durch das Rotieren von sowohl der oberen Fläche 4, der oberen Fläche 8 als auch der oberen Fläche 12 in den jeweiligen Lagerungen ist es nicht nur möglich, der Rotationsachse M des Lagers 13 jede gewünschte Richtung hinsichtlich der Normalen Z innerhalb der Begrenzungen des Positionierungsbereiches der Vorrichtung zu geben, sondern ist es ebenfalls möglich, um die obere Fläche 12 jede gewünschte Winkelposition rund um die Rotationsachse M einnehmen zu lassen. Somit wird eine dreidimensionale Positionierung eines auf der oberen Fläche 12 montierten Objekts erhalten.
• In einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung werden von dem unteren ringförmigen Gehäuse 3, dem mittleren ringförmigen Gehäuse 7 sowie dem oberen ringförmigen Gehäuse 11 die obere Fläche 4, die obere Fläche 8 und die obere Fläche 12 mit Hilfe eines Zahnradkranzes 16, eines Zahnradkranzes 17 und eines Zahnradkranzes 18 angetrieben.
• Jeder Zahnradkranz wird von einer Antriebsachse angetrieben, versehen mit einem Zahnrad, das in den Zahnradkranz greift und das mit einem Antriebsmittel verbunden ist, das Teil eines Servosystems ist. Die Antriebsmittel wurden in der Figur nicht dargestellt.
• Bei den Antriebsmitteln der hier dargestellten Ausführungsform handelt es sich um Elektromotoren, jedoch andere Arten Antriebsmittel sind ebenfalls möglich, wie zum Beispiel Hydraulikantriebe. Bei jeder oberen Fläche kann der betreffende Zahnkranz ebenfalls zum Antrieb eines Winkelindikator dienen. Es ist jedoch auch erdenklich, daß der Winkelindikator unmittelbar auf der Antriebsachse des betreffenden Antriebsmittels montiert wird. Außerdem ist es möglich, den Winkelindikator in die drehbare, obere Fläche zu integrieren, indem beispielsweise ein Gray-code an der unteren Seite der oberen Fläche sowie eine Lesevorrichtung auf der unteren Fläche angebracht wird. Die Winkelindikatoren sind ebenfalls mit dem Servosystem verbunden, das für das Positionieren der oberen Fläche 4, der oberen Fläche 8 und der oberen Fläche 12 geeignet ist, und zwar mit Hilfe der bereits beschriebenen Antriebsmittel. Als Winkelindikatoren werden vorzugsweise digitale, optische Winkelindikatoren verwendet, da dieselben besonders genau sind und außerdem unmittelbar an das gewöhnlich digitale Servosystem angeschlossen werden können.
• In einer alternativen Ausführungsform sind die Antriebsmittel möglicherweise Schrittmotoren, wodurch die Winkelindikatoren ausgelassen werden können. Bei Schrittmotoren ist die Winkelverdrehung je Schritt nämlich exakt bestimmt, so daß bei den oberen Flächen nur eine Anfangsposition zu detektieren ist, beispielsweise mit einem mechanischen oder optischen Schaltelement.
• Die Vorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt ein Gehäuse mit einer drehbar angeordneten oberen Fläche. Es ist jedoch ebenfalls erdenklich, von einem oder von mehreren Gehäusen die untere Fläche drehbar zu machen. In alternativen Ausführungsformen kann die drehbare obere oder untere Fläche eines oder mehrerer Gehäuse mit dem folgenden Gehäuse integriert sein, auf der betreffenden oberen oder unteren Fläche montiert. Einzige Bedingung ist, daß sich zwei angrenzende Gehäuse unabhängig voneinander um eine Achse drehen können, welche Achse vorzugsweise senkrecht zu den zwei angrenzenden Flächen dieser Gehäuse steht.
• Die Vorrichtung gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen Servoschaltkreis, der die sogenannten Fehlerwinkel in Azimut, Elevation sowie die Rollwinkel der oberen Fläche hinsichtlich eines fest angeordneten oder beweglichen Bezugssystems möglichst minimiert, indem die Antriebsmittel auf richtige Weise in Kombination gesteuert werden.
• Eine bekannte Methode zur Bestimmung der Fehlerwinkel ist die Anordnung von Kreiseln auf der oberen Fläche 12. Ein Vorteil dieser Methode ist die Unkompliziertheit. Wesentliche Nachteile sind jedoch, daß diese Methode kostspielig ist und zusätzliche Vorkehrungen erfordert.
• Eine weitaus bessere Methode zur Bestimmung der Winkelfehler wird im nachfolgenden ausgeführt, wobei Umrechnungsformeln für Koordinatensysteme benutzt werden.
• Zunächst werden die folgenden, zeitabhängigen Vektoren eingefügt, wie folgt definiert:
• Folgende Benennungen werden benutzt:
• u = Antriebssignalvektor
• r = Steuersignalvektor
• δ = Fehlerwinkelvektor
• φ = Meßsignalvektor
• = Bezugssignalvektor
• ψ = Tragfläche-Positionsvektor
• φw = gewünschter Winkelvektor.
• Der Antriebssignalvektor u umfaßt ein Antriebssignal u&sub1; zur Steuerung der Antriebsmittel der drehbaren, oberen Fläche des unteren Gehäuses, ein Antriebssignal u&sub2; zur Steuerung der Antriebsmittel der drehbaren oberen Fläche des mittleren Gehäuses und ein Antriebssignal u&sub3; zur Steuerung der Antriebsmittel der drehbaren, oberen Fläche des oberen Gehäuses. Dabei sind die Steuersignale proportional zu den von den Antriebsmitteln zu liefernden Drehmomenten.
• Ein Steuersignalvektor r umfaßt ein Azimut-Steuersignal ra, ein Elevation-Steuersignal re und ein Roll-Steuersignal rr. Der Steuersignalvektor wird nach mehren arithmetischen Bearbeitungen in einen Antriebssignalvektor umgewandelt.
• Der Meßsignalvektor φ umfaßt die gemessene Winkelverdrehung φ&sub1; von einer Bezugsposition der drehbaren, oberen Fläche des unteren Gehäuses aus, die gemessene Winkelverdrehung φ&sub2; von einer Bezugsposition der drehbaren, oberen Fläche des mittleren Gehäuses aus, und die gemessene Winkelverdrehung φ&sub3; von einer Bezugsposition der drehbaren,oberen Fläche des oberen Gehäuses aus.
• Der Bezugssignalvektor umfaßt drei Bezugssignale, nämlich den Azimutwinkel a, den Elevationswinkel e und den Rollwinkel r zwischen einem gewünschten Koordinatensystem und beispielsweise einem erdbezogenen Bezugskoordinatensystem.
• Der Tragfläche-Positionsvektor ψ umfaßt den Azimutwinkel ψa, den Elevationswinkel ψe und den Rollwinkel ψr eines mit der Tragfläche, auf der die Vorrichtung montiert ist, verbundenen Koordinatensystems hinsichtlich des Bezugs- Koordinatensystems.
• Der Fehlerwinkelvektor δ umfaßt den Azimutfehlerwinkel δa, den Elevationsfehlerwinkel δe und den Rollfehlerwinkel δr zwischen einem Koordinatensystem, auf das zu positionierende Objekt bezogen, und einem gewünschten Koordinatensystem. Der gewünschte Winkelvektor φw umfaßt die gewünschten Werte von φ.
• Figur 2 stellt zwei Koordinatensysteme dar, mit deren Hilfe die genaue Definition der drei Winkel gegeben wird, die den Stand eines willkürlichen Körpers, zum Beispiel das zu positionierende Objekt, hinsichtlich einer Bezugsfläche, zum Beispiel eines Schiffsdecks, einer erdbezogenen Bezugsfläche oder einer gewünschten Position, bestimmen. Das auf die Bezugsfläche bezogene Koordinatensystem XYZ wird mit Bezugssystem und das auf den willkürlichen Körper bezogene Koordinatensystem X'Y'Z' mit körperbezogenem System bezeichnet. Jedes Koordinatensystem wird durch drei Basisvektoren bestimmt, zum Beispiel XYZ durch
• E = ( x, y, z).
• Diese Vektoren werden so gewählt, daß sie die Länge eins haben, senkrecht zueinander stehen und ein rechtsdrehendes System bilden. Die Figur zeigt die drei Winkel &sub1;, &sub2; und &sub3;, die den Stand des willkürlichen Körpers hinsichtlich der Bezugsfläche bestimmen, welche wie folgt definiert wurden:
• a= Azimutwinkel
• e = Elevationswinkel
• r = Rollwinkel.
• a, e und r wurden so definiert, daß, wenn man das Koordinatensystem XYZ verdrehen will, und zwar so, daß X in die Richtung von X', Y in die Richtung von Y' und Z in die Richtung von Z' zeigt; dies kann realisiert werden, indem man zunächst die X- und Y-Achse in Uhrzeigersinn um die Z- Achse dreht, während man in die Richtung dieser Achse über den Azimutwinkel a blickt, anschließend die X- und Z-Achse entgegen dem Uhrzeigersinn um die Y-Achse dreht, während man in die Richtung dieser Achse über den Elevationswinkel e blickt, und schließlich die Y- und die Z-Achse in Uhrzeigersinn um die X-Achse dreht, während man in die Richtung dieser Achse über den Rollwinkel r blickt. Mit dieser Methode ist es möglich, die Beziehung zwischen der rechtsdrehenden, orthonormalen Basis
• E' = ( x, y, z).
• bezogen auf das Koordinatensystem X'Y'Z' in E auszudrücken. Bekanntlich ist dies möglich, indem E rechts mit einer Rotationsmatrix ( r, e, a) multipliziert wird, die das Produkt von drei Rotationsmatrizen Ra( a), Re( e) und Rr( r) ist. Mit der gegebenen Definition von a, e und r wird dieser Ausdruck wie folgt:
• E'= E.Rr( r).Re( e).Ra( a) = E.R( r, e, a)
• wobei: cos sin
• Zur Bestimmung der Fehlerwinkel wird ebenfalls von der Lösung Gebrauch gemacht:
• R( r, e, a) = Ro (1)
• wobei RKoL eine bekannte Rotationsmatrix darstellt und r, e und a gelöst werden müssen. Ro wird dargestellt durch:
• Es lassen sich zwei Lösungen für r, e und a unterscheiden, nämlich:
• r = - atan2(r&sub2;&sub3;,r&sub3;&sub3;) (3)
• e = - asin(r&sub1;&sub3;) (4)
• a = -atan2(r&sub1;&sub2;,r&sub1;&sub1;) (5) und
• r = π - atan2(r&sub2;&sub3;,r&sub3;&sub3;) (6)
• e = π + asin(r&sub1;&sub3;) (7)
• a = π - atan2(r&sub1;&sub2;,r&sub1;&sub1;) (8)
• wobei atan2 den vierquadratischen Arctangens und asin die Arcsinuslinie, zwischen -π/2 und π/2 begrenzt, darstellt.
• Die Methode der Konvertierung der Koordinatensysteme, welche sich auf ein Gehäuse in der Vorrichtung gemäß der Erfindung beziehen, wird im nachfolgenden anhand von Figur 3A und Figur 3B beschrieben. Figur 3A zeigt ein Beispiel eines Gehäuses mit einer unteren Fläche 19, einer oberen Fläche 20 und einer drehbaren, oberen Fläche 4. Die drehbare obere Fläche 4 liegt parallel zur oberen Fläche 20 und bildet zur unteren Fläche 19 einen Winkel β. Mit der unteren Fläche 19 ist eine sich in Uhrzeigersinn drehende orthonormale Basis E&sup0; verbunden, bestehend aus den Vektoren x&sup0;, y&sup0; und z&sup0;, welche hinsichtlich eines bekannten Koordinatensystems E definiert wurden, zum Beispiel eines erdbezogenen Systems. In dieser Figur steht z&sup0; senkrecht zur unteren Fläche 19, und y&sup0; senkrecht zu der Fläche der Zeichnung. Eine orthonormale Basis E¹ ist mit der oberen Fläche 20 verbunden, bestehend aus den Vektoren x¹, y¹ und z¹, welche hinsichtlich eines bekannten Koordinatensystems E definiert wurden. In dieser Situation steht z¹ senkrecht zur oberen Fläche 20 und läuft y¹ parallel zu y&sup0;. y¹ und y&sup0; zeigen beide in dieselbe Richtung, entgegengesetzt zum Beobachter. x&sup0; und x¹ liegen beide in der Fläche der Zeichnung. Eine orthonormale Basis E² ist mit der drehbaren, oberen Fläche 4 verbunden, bestehend aus den Vektoren x¹, y¹ und z¹, welche hinsichtlich eines bekannten Koordinatensystems E definiert wurden. In dieser Situation steht z² senkrecht zur drehbaren, oberen Fläche und fällt demzufolge mit z¹ zusammen. Aus Figur 3B geht hervor, daß die mit der oberen Fläche 4 verbundenen Basisvektoren x², y² mit den mit der oberen Fläche 20 verbundenen Basisvektoren x¹, y¹ einen Winkel φi bilden.
• Womit folgendes gilt:
• x² = x¹ . cosφi + y¹ . sinφi + z¹ . 0 (9)
• y² = x¹ . sinφi + y¹ . cosφi + z¹ . 0 (10)
• z² = x¹ . 0 + y¹ . 0 + z¹ (11)
• In Matrixschreibweise wird dies:
• Analog zum obenstehenden kann die Basis E¹ in der Basis E&sup0; ausgedrückt werden:
• dies resultiert in:
• E² = E&sup0;.Re(β).Ra(φi) (14)
• In einer Stapelung von drei Gehäusen ist es nun möglich, unter wiederholter Anwendung der richtigen Rotationsmatrize, eine mit der unteren Fläche des unteren Gehäuses verbundene, orthonormale Basis Eb in einer mit der unteren Fläche des unteren Gehäuses verbundenen, orthonormalen Basis Eo auszudrücken. Dies resultiert in:
• Um die Fehlerwinkel der drehbaren, oberen Fläche des oberen Gehäuses, und damit die Fehlerwinkel des darauf angeordneten Objekts, definieren zu können, wird nun das gewünschte Koordinatensystem Ew eingeführt. Auf diese Weise können die Fehlerwinkel als Azimut-, Elevations- und Rollwinkel zwischen dem mit der oberen Fläche des oberen Gehäuses verbundenen Koordinatensystem und dem gewünschten Koordinatensystem definiert werden.
• Analog zum obenstehenden ist es nun möglich, das gewünschte Koordinatensystem in E&sub0; auszudrücken:
• und Er in Ew:
• Dies resultiert in einer Formulierung der Fehlerwinkel:
• Diese Formulierung bildet ein System von neun unabhängigen Gleichungen mit den drei unbekannten Fehlerwinkeln δa, δe und δr Da es sich bei dem Element auf der rechten Seite um eine bekannte Matrix handelt, ist es möglich, hieraus die zwei Kombinationen zur Lösung der Fehlerwinkel δa, δe und δr herzuleiten. Eine auf der Hand liegende Wahl ist die Kombination, die in einer festen Ausgangsposition die Fehlerwinkel Null ergibt.
• Eine auf der Hand liegende Methode, die Vorrichtung gemäß der Erfindung auf einem Schiffsdeck zu montieren, ist, indem das mit der unteren Fläche des unteren Gehäuses verbundene Koordinatensystem E&sup0; auf eine solche Weise orientiert ist, daß E&sup0; mit dem sogenannten Schiffsbezugssystem übereinstimmt. Dieses schiffbezogene Bezugssystem ist ein rechtsdrehendes mit dem Schiff verbundenes Koordinatensystem, das als Referenz dient, um die Schiffsposition in Azimut, Elevation sowie den Rollwinkel hinsichtlich einer erdbezogenen (zum Beispiel nordorientiert und im Uhrzeigersinn drehend) anzugeben. Diese Positionswinkel werden in der Praxis gewöhnlich mit Hilfe von Kreiseln gemessen. Wird diese Methode für die Montage angewendet, läßt sich Eb einfach im erdbezogenen System zum Ausdruck bringen, indem man Azimut-, Elevations-und Rollwinkel des Schiffes berücksichtigt. Wird der Azimutwinkel mit ψa, der Elevationswinkel mit ψe und der Rollwinkel mit ψr symbolisiert, dann ergibt sich:
• Das gewünschte Koordinatensystem hinsichtlich des erdbezogenen Systems wird dann folgendermaßen angegeben:
• und Er wird dann in Ew ausgedrückt,wie folgt:
• Hieraus ergibt sich wiederum eine Formel für die Fehlerwinkel:
• Die Berücksichtigung der Schiffsposition hinsichtlich des erdbezogenen Systems ergibt den Vorteil, daß nun ohneweiteres die drehbare obere Fläche des oberen Gehäuses in eine willkürliche Position - durch a, e und r bestimmt - hinsichtlich des erdbezogenen Systems gesteuert werden kann, indem man die Antriebsmittel auf eine solche Weise steuert, daß δa, δe und δr nahezu Null werden. Wird die Vorrichtung zur Stabilisierung eines Radars auf einem Schiff benutzt, wobei das Radargerät eine rein gleichförmige Rotation hinsichtlich eines erdbezogenen Systems durchführt, dann wählt man r = e = 0 und a = ω.t, wobei t die Zeit und ω die gewünschte Winkelgeschwindigkeit hinsichtlich des erdbezogenen Systems darstellt.
• Selbstverständlich ist es möglich, E&sup0; nicht mit dem Schiffsbezugssystem zusammenfallen zu lassen. Die Fehlerwinkel können dann auf analoge Weise, wie vorstehend bereits angegeben, berechnet werden, indem man die Orientierung von E&sup0; hinsichtlich des Schiffsbezugssystems berücksichtigt.
• Vorausgesetzt die Fehlerwinkel sind gleich Null, dann ergibt sich aus (22) eine implizite Formel für die gewünschten Werte für φ&sub1;, φ&sub2;, und φ&sub3;:
• Die Anzahl Lösungen dieser Gleichung ist von dem Winkel zwischen M und N abhängig. Ist dieser Winkel gleich Null, gibt es unendlich viele Lösungen. Ist der Winkel kleiner als β&sub2;+β&sub3; gibt es zwei Lösungen; ist der Winkel gleich β&sub2;+β&sub3;, dann gibt es eine Lösung. Ist der Winkel größer als β&sub2;+β&sub3; gibt es keine Lösungen. Während des normalen Betriebs des Gerätes hat man dafür zu sorgen, daß der erwähnte Winkel strikt zwischen Null und β&sub2;+β&sub3; bleibt. Auf eine konsistente Weise kann dann eine der zwei Lösungen zu jedem Zeitpunkt gewählt werden. Konsistent heißt in diesem Fall, daß die gewählte Lösung eine stetige Funktion der Zeit ist, wenn es sich bei den Eingangsgrößen um stetige Funktionen der Zeit handelt. Eine Methode zur Sicherstellung, daß der Winkel zwischen M und N größer als Null und kleiner als β&sub2;+β&sub3; bleibt, ist die Anbringung von Anschlagmitteln. Ein zusätzlicher Vorteil hierbei ist, daß verhindert wird, daß die mit Anschlagmitteln versehenen Gehäusen Rotationen von über 360º durchführen. Dies ist von Bedeutung im Hinblick auf das etwaige Vorhandensein von Kabeln zwischen Schiff und Gehäuse, zum Beispiel für die Stromversorgungen der Antriebsmittel.
• Dies resultiert in einer ersten speziellen Ausführungsform der Antriebsmittel in der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform wurde in Figur 4 dargestellt. Die Steuermittel umfassen hier drei unabhängige Servoschaltkreise. Die gewünschten Werte φω&sub1;, φω&sub2;,und φω&sub3; werden mit Hilfe von (23) bestimmt. Die Servoschaltkreise umfassen die Antriebsmittel 39 des unteren Gehäuses; das Antriebsmittel 40 des mittleren Gehäuses und das Antriebs-mittel 41 des oberen Gehäuses. Pro Servoschaltkreis sind lineare Steuersysteme 33, 34 und 35 vorgesehen, wobei es sich um Steuersysteme zumindest erster Ordnung handeln muß. Erforderlichenfalls kann je Servoschaltkreis eine Vorwärtskopplung 36 und/oder 37 und/oder 38 vorgesehen sein.
• Eine zweite, außerordentlich vorteilhafte Ausführungsform des Servoteiles der Vorrichtung gemäß der Erfindung macht von einem nicht-linearen Entkopplungssteuersystem Gebrauch. Dieses nicht-lineare Entkopplungssteuersystem ermöglicht es, entgegengesetzt zu den Antriebsdrehmomenten u&sub1;, u&sub2; und u&sub3;, drei neue Steuergrößen ra, re und rr zu generieren, dadurch gekennzeichnet, daß, vorausgesetzt man kennt die Bewegungsgleichungen (dynamisches Modell) der Vorrichtung gemäß der Erfindung in ausreichendem Maße, ra hauptsächlich nur auf δa, δε hauptsächlich nur auf δe und rr hauptsächlich nur auf δr einwirkt. Auf diese Weise ist die Interaktion zwischen den Steuergrößen nahezu verschwunden. Indem man δa, δe, δr und ra, re, rr geeigneten arithmetischen Berechnungen unterzieht, erhält man zu jedem Zeitpunkt die richtigen Werte für u&sub1;, u&sub2; und u&sub3;, welche die Entkopplung bewerkstelligen. Wenn die arithmetischen Berechnungen durchgeführt werden, läßt sich der Zusammenhang zwischen den Fehlerwinkeln δi und den Steuergrößen ri folgendermaßen zum Ausdruck gebracht werden:
• i = ri + εi (i = a, e or r) (24)
• wobei εi ein Restelement darstellt, das Ungenauigkeiten im dynamischen Modell der Vorrichtung gemäß der Erfindung vergegenwärtigt.
• Auf der Basis dieser neuen Steuergröße ri ist es möglich für jeden Fehlerwinkel einen separaten Linearregler Hi(s) zu entwerfen, zum Erhalt von drei entkoppelten Servoschaltkreisen, dargestellt durch:
• ri(s) Hi(s).δi(s) (i = a, e or r) (25)
• In dieser Formel ist s der Laplace-Operator.
• In dem Servoalgorithmus sind Hi(s) im voraus bestimmt. Ein Adaptivalgorithmus ist jedoch auch möglich.
• Ein wesentlicher Vorteil dieser Entkopplung ist, daß die Bandbreite jedes einzelnen Servoschaltkreises separat eingestellt werden kann.
• In einer außergewöhnlich vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden die Steuerwerte r folgenden arithmetischen Berechnungen unterzogen, zum erhalt von u.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung werden die üblichen Regeln für Vektordifferenzierung berücksichtigt, nämlich
• Das direkte Quadrat eines Vektors wird wie folgt bestimmt:
• Anhand obenstehender Definitionen und arithmetischer Methoden für Vektordifferenzierung wird die erwähnte Entkopplung bewerkstelligt, indem die Steuergrößen r, die Fehlerwinkel δ und die gemessenen Winkel φ der nachfolgenden Bearbeitung unterzogen werden, resultierend in den Steuerdrehmomenten für die drei Antriebsmittel u.
• In dieser Formel ist M(φ) die Massenmatrix des Zusammenbaus, bestehend aus dem auf der drehbaren, oberen Fläche des unteren Gehäuses montierten mittleren Gehäuse 7, dem oberen Gehäuse 11 und dem auf der drehbaren, oberen Fläche des oberen Gehäuses montierten Objekt 15. Ein Ausdruck für M(φ) kann gefunden werden, indem man einen Ausdruck für die kinetische Energie des Zusammenbaus 7, 11, 15 bei Stillstand des unteren Gehäuses erstellt, und indem man das Ergebnis folgendermaßen schreibt:
• Das Gesetz der Mechanik beweist, daß dies immer möglich ist. Die Massenmatrix kann so im voraus analytisch als Funktion von φ bestimmt werden und als solche in einen Steueralgorithmus implementiert werden. Ein Ausdruck für h(φ, ,t) kann gefunden werden, indem die Bewegungsgleichungen von Zusammenbau 7, 11, 15 bei Stillstand des unteren Gehäuses hergeleitet werden. Diese Bewegungsgleichungen ergeben sich aus den Gleichungen nach Euler Lagrange:
• Der resultierende Steueralgorithmus wurde im Blockschema von Figur 5 dargestellt. Der Algorithmus umfaßt ein Modul 42, der den Fehlerwinkelvektor δ aus dem Meßsignalvektor φ, dem Tragfläche-Positionsvektor ψ und dem Bezugssignalvektor bestimmt. Hierbei kann von (1) bis (18) Gebrauch gemacht werden. Der Algorithmus umfaßt ebenfalls ein Modul 43, der aus dem Fehlerwinkelvektor δ drei Steuersignale rr, re und ra, in dem Vektor r enthalten, bestimmt, indem der Fehlerwinkelvektor δ Bearbeitungen zumindest erster Ordnung unterzogen wird. Der Algorithmus umfaßt außerdem ein Modul 44, das die Matrix
• bestimmt sowie ein Modul 45, das die Massenmatrix M(φ) des Zusammenbaus von dem mittleren Gehäuse 7, dem oberen Gehäuse 11 und dem auf der drehbaren, oberen Fläche des oberen Gehäuses befestigten Objekt 15 bestimmt.
• Möglicherweise umfaßt der Algorithmus ein Modul 46, das die Ableitung
• bestimmt ein Modul 47 das
• bestimmt, und ein Modul 48, das
• bestimmt.
• In 49 werden x&sub1;, x&sub2; und x&sub3; von r subtrahiert, resultierend in Steuervektor r'. Anschließend wird das Produkt
• in 50 bestimmt.
• Erforderlichenfalls wird dann noch in einem Modul 51 das Restelement h( , φ, t) bestimmt und in 52 zu u' addiert. Das Ergebnis u besteht aus den Steuerdrehmomenten für die Antriebsmittel 53 des unteren, des mittleren bzw. des oberen Gehäuses.
• Die gebildeten Module können alle in einem digitalen Rechner mit Hilfe einer höheren Programmiersprache, zum Beispiel C, programmiert werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung für die Orientierung eines auf einer ersten Fläche montierten Objekts (15) hinsichtlich einer zweiten Fläche (2), bestehend aus einem ersten mit der zweiten Fläche (2) verbundenen Gehäuse (3), einem zweiten Gehäuse (7), drehbar auf dem ersten Gehäuse (3) rund um eine erste Achse N montiert, welche Achse einen Winkel B1 ungleich Null zu einer Senkrechten Z auf der zweiten Fläche (2) bildet, einem dritten Gehäuse (11), drehbar auf dem zweiten Gehäuse (7) rund um eine zweite Achse L montiert, welche Achse einen Winkel B2 ungleich Null zu der ersten Achse N bildet, weiterhin bestehend aus ersten und zweiten Antriebsmitteln, eingerichtet für das Rotierenlassen der Gehäuse zwei und drei, wobei die Gehäuse eins, zwei und drei im wesentlichen ringförmig ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß

das dritte Gehäuse (11) eine drehbare obere Fläche (12) mit einer dritten Rotationsachse M umfaßt, welche Achse einen Winkel B3 ungleich Null zur zweiten Achse L bildet, sowie dritte Antriebsmittel für das Rotierenlassen der drehbaren, oberen Fläche des dritten Gehäuses,

daß die ersten, zweiten und dritten Antriebsmittel einen ersten, auf dem ersten Gehäuse (3) montierten Antrieb, eingerichtet für das Rotierenlassen des zweiten Gehäuses (7) hinsichtlich des ersten Gehäuses (3), einen zweiten auf dem zweiten Gehäuse (7) montierten Antrieb, eingerichtet für das Rotierenlassen des dritten Gehäuses (11) hinsichtlich des zweiten Gehäuses (7) und einen dritten, auf dem dritten Gehäuse (11) montierten Antrieb, eingerichtet für das Rotierenlassen der oberen Fläche (12) des dritten Gehäuses (11) hinsichtlich des dritten Gehäuses, umfassen, daß Winkelindikatoren vorgesehen sind, die für das Messen der Winkelrotation des zweiten Gehäuses, des dritten Gehäuses und der rotierbaren oberen Fläche des dritten Gehäuses eingerichtet sind,

und daß Steuermittel vorgesehen sind, die mit den Winkelindikatoren und den Antrieben verbunden sind und die für die Steuerung der Antriebe eins und zwei eingerichtet sind, für die Orientierung der ersten Fläche hinsichtlich der zweiten Fläche (2) sowie für die Steuerung des dritten Antriebs für das Rotierenlassen des Objekts in der ersten Fläche, wobei die etwa durch die Rotation sowohl des zweiten als auch des dritten Gehäuses hervorgerufenen Rotationen kompensiert werden.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel weiterhin ein erstes, zweites und drittes Getriebe umfassen, eingerichtet für den Antrieb des zweiten Gehäuses, des dritten Gehäuses beziehungsweise der rotierbaren oberen Fläche des dritten Gehäuses.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel B1, B2 und B3 im wesentlichen identisch sind.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse im wesentlichen identisch sind.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebe jeweils pro Gehäuse einen Schrittmotor und eine Referenzpositions-Indikationsanordnung umfassen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelindikatoren jeweils einen optisch kodierten Winkelindikator umfassen.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelindikatoren jeweils einen auf dem betreffenden Gehäuse angezeigten Code, beispielsweise einen Gray-Code, umfassen sowie Mittel, um diesen Code zu lesen.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um zu verhindern, daß die dritte Rotationsachse M und die erste Rotationsachse N parallel verlaufen.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel mechanische Arretiervorrichtungen umfassen.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel ein Modul umfassen, für das aus einem Meßsignalvektor (φ), einem Bezugssignalvektor ( ) und einem Tragfläche-Positionsvektor (ψ) Bestimmen eines Fehlerwinkelvektors (δ), bestehend aus dem Azimutfehlerwinkel (δa), dem Elevationsfehlerwinkel (δe) und dem Rollfehlerwinkel (δr) zwischen einem auf das Objekt bezogenen Koordinatensystem und einem gewünschten Koordinatensystem.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel außerdem ein Modul für das aus dem Fehlerwinkelvektor (δ) Bestimmen eines Steuersignalvektors (u) umfassen.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß u durch die Übertragungsfunktionen H&sub1;(s), H&sub2;(s) und H&sub3;(s) bestimmt wird, wobei

u&sub1;(s) = H&sub1;(s).δa(s)

u&sub2;(s) = H&sub2;(s).δe(s) + H&sub3;(s).δr(s)

u&sub3;(s) = H&sub2;(s).δe(s) - H&sub3;(s).δr(s)

und es sich bei H&sub1;(s), H&sub2;(s) und H&sub3;(s) um Steuersysteme zumindest erster Ordnung handelt.