TECHNISCHER BEREICH
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Die Erfindung betrifft allgemein Waffenstabilisierungssysteme und betrifft im
besonderen ein verbessertes System zum Stabilisieren der Position der Mündung
eines an einem Fahrzeug montierten Rohrwaffenrohres, um durch das Gelände
hervorgerufene oder terraininduzierte und andere äußere Störungen zu
berücksichtigen. Obgleich die Erfindung allgemein eine beliebige bewegliche Plattform
betrifft, auf der eine richtbare Rohrwaffe montiert ist, bezieht sich die
nachfolgende Beschreibung auf ein System, welches in Verbindung mit einem
Hauptkampfpanzerfahrzeug verwendbar ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Waffenstabilisierungssysteme finden auf Panzerkampffahrzeugen Verwendung,
um die Position des Rohrwaffenrohres zu stabilisieren, so daß die Feuerlinie
während der Fahrt des Panzers beherrscht werden kann. Die Bedienungsperson
beobachtet das umliegende Terrain durch einen im Panzerturm angeordneten
Zielgerätekopfspiegel. Durch Drehen des Turms kann die Bedienungsperson,
ausgehend vom aktuellen Blickfeld, nach links oder rechts sehen. Der
Zielgerätekopfspiegel ist um eine horizontale Achse drehbar, so daß, innerhalb gewisser
Grenzen, die Bedienungsperson, ausgehend vom aktuellen Blickfeld, Sicht nach
oben oder unten hat. Der Zielgerätekopfspiegel hat sein eigenes, unabhängiges
Stabilisierungssystem zur Beibehaltung seiner Position, so daß das von der
Bedienungsperson gewählte Blickfeld unabhängig von terraininduzierten Störungen
erhalten bleibt. Zum Zielen ist dem durch den Zielgerätekopfspiegel gegebenen
Blickfeld ein Fadenkreuz überlagert. Das Anvisieren eines Zieles geschieht dann
einfach dadurch, daß die Bedienelemente aktiviert werden, um das Fadenkreuz
mit dem Ziel auszurichten. Das Aktivieren der Bedienelemente führt auch dazu,
daß sich das Rohrwaffenrohr um einen Betrag bewegt, der dem des
Zielgerätekopfspiegels entspricht. Weil das Rohrwaffenrohr in Verbindung mit dem
Zielgerätekopfspiegel ausgerichtet wird, würde die Feuerlinie das anvisierte Ziel
kreuzen, sofern nicht eine ballistische Lösung existiert, die auf die Geschwindigkeit
des anvisierten Objektes (im Falle eines beweglichen Zieles) und höhen- oder
höhenwinkelmäßige Anforderungen, die sich aus der Flugbahn des Geschosses
ableiten, korrigiert.
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Das Ziel des Waffenstabilisierungssystem ist es deshalb, die Feuerlinie in der
über die Bedienelemente gewählten Richtung zu halten, und zwar unabhängig
von terraininduzierten Störungen oder anderen Einflußfaktoren. In
herkömmlichen Stabilisierungssystemen geschieht dies, indem die Annahme gemacht wird,
daß die Position des Rohrwaffenrohres, wie an der Lafette gemessen, die exakte
Position der Rohrwaffenmündung (d. h. des Geschoßaustrittsendes des Rohres)
liefert.
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Im Streben nach Waffen mit immer größerer Visierschußweite aber werden die
Panzergeschütz- oder -rohrwaffenrohre zunehmend länger, was entsprechende
Stabilisierungsprobleme mit sich bringt. So neigen zum Beispiel längere
Rohrwaffenrohre dazu, sich in einem Ausmaß zu biegen oder zu verbiegen, das groß
genug ist, um die Zielgenauigkeit abträglich zu beeinflussen. Dieses Biegen kann
das Ergebnis vieler Faktoren sein, zu denen zum Beispiel unterschiedliches
Aufheizen oder Abkühlen (thermisches Biegen), Beschleunigungen infolge Vertikal-
oder Hebungsbewegungen und das Abfeuern der Rohrwaffe gehören. Die Folge
dieses Biegens des Rohrwaffenrohres ist eine Auslenkung der Mündung von ihrer
gewünschten Position. Demnach hat die Annahme herkömmlicher
Stabilisierungssysteme, daß sich die Mündungsposition (und damit die Feuerlinie) durch
Überwachen der Position des Rohrwaffenrohres an der Lafette genau bestimmen
läßt, keine Gültigkeit für längere, flexible Rohrwaffenrohre.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Position des Rohrwaffenrohres
anzupassen, um thermisches Biegen zu kompensieren, und zwar unter
Verwendung eines Systems, welches einen Mündungsreferenzsensor benutzt, der einen
am Verschluß der Rohrwaffe angeordneten Sender/Empfänger aufweist, um von
einem an der Rohrwaffenmündung angeordneten Spiegel kommendes Licht zu
reflektieren und zu erfassen. Dieser Mündungsreferenzsensor arbeitet oder tastet
bei ca. 60 Hz; schnell genug, um thermische Effekte zu kompensieren, die
Zeitkonstanten im Minutenbereich haben, aber nicht schnell genug, um
höherfrequente Effekte zu kompensieren, so etwa terraininduzierte Störungen, und
Reaktionen, die beim Abfeuern der Rohrwaffe auftreten. In jüngerer Zeit ist ein
kontinuierlicher Mündungsreferenzsensor entwickelt worden, der ausreichend
Bandbreite hat, um diese höherfrequenten Biegungen zu messen. Bislang ist jedoch
noch kein System bereitgestellt worden, mit dem diese Auslenkungen der
Mündung beherrscht werden könnten. Vielmehr arbeiten
Waffenstabilisierungssysteme weiterhin auf der Grundlage der fälschlichen Annahme, die
Mündungsposition sei exakt bestimmbar durch Messen der Position des Rohrwaffenrohres an
der Lafette. Es wäre daher wünschenswert, ein Waffenstabilisierungssystem zu
haben, welches den durch Biegung des Rohrwaffenrohres verursachten
Mündungspositionsfehler vermindert.
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Ein weiteres Problem, welches durch die Verwendung von längeren Rohren
aufgeworfen wird, ist folgendes: während der Massenmittelpunkt des
Rohrwaffenrohres traditionell so vorgesehen wird, daß er mit der Zapfenachse
zusammenfällt, hat bei den längeren Rohren, in Verbindung mit anderen Zwängen wie
Gewicht und Raum eine Verlagerung des Massenmittelpunktes aus der Zapfenachse
in Richtung zur Mündung hin stattgefunden. Das Rohrwaffenrohr ist deshalb an
seinem Drehpunkt unausgeglichen. Dementsprechend erfährt das
Rohrwaffenrohr translatorische und rotatorische Beschleunigungen infolge von
terraininduzierten Störungen. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung werden diese
Beschleunigungen externe Beschleunigungen genannt, weil sie Beschleunigungen
des Rohrwaffenrohres darstellen, die nicht durch Betätigung der
Betätigungseinrichtung verursacht werden.
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Durch diese externen Beschleunigungen tritt ein Drehmoment auf, durch das die
Betätigungseinrichtung, welches die Höhenwinkelstellung des Rohrwaffenrohres
steuert, zurückgetrieben wird. In vielen Fällen handelt es sich bei den
verwendeten Betätigungseinrichtungen um hydraulische Betätigungseinrichtungen, und
das Stabilisierungssystem enthält eine Druckrückführung von der
Betätigungseinrichtung in Form einer negativen Rückkopplung, welche die Antwort der
Betätigungseinrichtung auf den von den Bedienelementen ausgesendeten Befehl
dämpft. In derartigen Systemen erzeugt das von außen einwirkende
Drehmoment infolge des Ungleichgewichts des Rohrwaffenrohres eine unliebsame
positive Rückkopplung auf die Betätigungseinrichtung, welche die
Betätigungseinrichtung in Richtung des rücktreibenden Drehmomentes bewegt oder zu bewegen
sucht. So erzeugt zum Beispiel eine externe, abwärts gerichtete Kraft, die auf die
Rohrwaffenrohrmündung ausgeübt wird, eine Rückkopplung auf die
Betätigungseinrichtung, die dazu neigt, die Mündung nach unten zu bewegen. Dieses
Resultat ist unerwünscht, weil das Stabilisierungssystem die gewählte Feuerlinie
unabhängig von externen Kräften, die auf das Rohr einwirken, beibehalten sollte.
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Die auf die Betätigungseinrichtung infolge des Ungleichgewichts des
Rohrwaffenrohres einwirkenden externen Beschleunigungen lassen sich als statische
Beschleunigungen oder dynamische Beschleunigungen klassifizieren. Die externe
statische Beschleunigung oder externe 1 g-Beschleunigung ist diejenige
Beschleunigung, die auf die Wirkung der Schwerkraft der Erde zurückzuführen ist.
Die dynamische externe Beschleunigung ist diejenige Beschleunigung, die infolge
aller anderen externen Beschleunigungen auftritt, so etwa infolge von
terraininduzierten Störungen. Wenn zum Beispiel das Panzerfahrzeug während der Fahrt
gegen eine Erhebung stößt, kann es eine Beschleunigung von 2 g erfahren: die
statische 1 g-Beschleunigung plus 1 g verursacht durch die Aufwärtsbewegung
des Panzers infolge des Zusammentreffens mit der Erhebung im Gelände.
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Es ist bekannt, ein gesondertes Stabilisierungssystem vorzusehen, um das
Ungleichgewicht infolge statischer Beschleunigung des Rohrwaffenrohres zu
kompensieren. Ein derartiges System umfaßt ein Gefäß mit unter Druck stehendem
Stickstoffgas, welches in die Betätigungseinrichtung eingekoppelt wird, um der
Betätigungseinrichtung eine Vorspannung zu geben, deren Betrag gleichgroß,
aber entgegengesetzt der statischen Kraft infolge der Unwucht der Rohrwaffe ist.
Es sind auch mechanische Anordnungen beschrieben worden; Beispiele hierfür
finden sich in den US-Patentschriften Nr. 5 014 594, erteilt am 14. Mai 1991 an
Mühlhausen et al., Nr. 5 101 708, erteilt am 7. April 1992 an Sommer et al., und
Nr. 5 196 642, erteilt am 23. März 1993 an Tripp. Mühlhausen et al. und Sommer
et al. benutzen einen Zugstangenaufhängemechanismus, um dem
Ungleichgewicht entgegenzuwirken. Tripp verwendet ein Drahtseil, welches um eine
profilierte Nockenoberfläche herumgelegt ist, wobei ein Ende mit dem Waffenlauf
verbunden ist und das andere Ende mit einem pneumatischen Zylinder verbunden
ist, mit dem das Seil ausgefahren oder eingezogen werden kann. Die
kompensierende Kraft wird durch den pneumatischen Zylinder bereitgestellt, und zwar
mit einer Größe, die durch das Profil der Nockenoberfläche bestimmt wird.
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Diese Systeme zur Kompensation des Ungleichgewichts sind in der Hauptsache
deshalb nachteilig, weil sie nicht den dynamischen Drehmomenten
entgegenwirken, die ein Panzerfahrzeug oder eine andere bewegliche Plattform
voraussichtlich erfährt. Es wäre deshalb wünschenswert, ein Stabilisierungssystem für eine
nichtausgeglichene Waffe zu haben, das eine hydraulische Betätigungseinrichung
mit Druckrückführung verwendet, welche die durch die dynamischen externen
Beschleunigungen erzeugte positive Rückkopplung kompensiert.
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Eine Mündungspositionsregeleinrichtung für ein Waffenstabilisierungssystem
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in der GB-A-2 138 926 offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird eine Mündungspositionsregeleinrichtung für ein
Waffenstabilisierungssystem bereitstellt, welches ein schwenkbares Rohrwaffenrohr mit
einer Mündung und eine Betätigungseinrichtung zum Schwenken des
Rohrwaffenrohres umfaßt. Die Mündungspositionsregeleinrichtung umfaßt: einen
Mündungsreferenzsensor zum Messen von Auslenkungen der
Rohrwaffenrohrmündung, und eine Mündungsauslenkungs-Feedback- oder Rückkopplungsschaltung,
mit der in Abhängigkeit von dem Mündungsreferenzsensor die
Betätigungseinrichtung entsprechend den gemessenen Auslenkungen der Mündung anpaßbar
ist, wobei mit dem Mündungsreferenzsensor ein Mündungsauslenkungssignal
erzeugbar ist und die Mündungsauslenkungs-Rückkopplungsschaltung eine auf das
Mündungsauslenkungssignal ansprechende Differenzierschaltung aufweist, um
ein differenziertes Biegungssignal zu erzeugen.
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Die Messung dieser Auslenkungen kann mit Begriffen der Position, Rate,
Beschleunigung oder sonstwie erfolgen. Bevorzugt ist mit dem
Mündungsreferenzsensor die Position der Mündung relativ zu einer statischen Position meßbar,
welche durch die Orientierung eines betätigungseinrichtungsnahen Bereichs des
Rohrwaffenrohres bestimmt wird.
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Bevorzugt ist mit dem Mündungsreferenzsensor ein
Vertikalpositions-Ausgangssignal und ein Horizontalpositions-Ausgangssignal erzeugbar. Das
Vertikalpositions-Ausgangssignal kann dann von der
Mündungsauslenkungs-Rückkopplungsschaltung verwendet werden, um die Betätigungseinrichtung anzupassen.
Außerdem kann das Horizontalpositions-Ausgangssignal von der Mündungsauslenkungs-Rückkopplungsschaltung
verwendet werden, um die Drehlage eines Turms
einzustellen, in dem das Rohrwaffenrohr angeordnet ist.
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Die Mündungsauslenkungs-Rückkopplungsschaltung ist bevorzugt eine PD-
(Proportional-Differential-)Regeleinrichtung, wobei das Differenzier-Glied von
einer bandbreitenbegrenzten Differenzierschaltung bereitgestellt wird.
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Die erfindungsgemäße Mündungspositionsregeleinrichtung kompensiert
Auslenkungen des Rohrwaffenrohres, welche die Treffergenauigkeit beim Schießen
verschlechtern. Anstatt sich auf die Annahme zu stützen, daß die Position des
Rohrwaffenrohrs, gemessen an der Lafette, eine genaue Anzeige der
Mündungsposition darstellt, wird erfindungsgemäß die tatsächliche Position der
Rohrwaffenmündung überwacht und diese Position dazu verwendet, die
Betätigungseinrichtung anzupassen, um die gewünschte Feuerlinie einzuhalten.
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Es ist eine Feedforward-Aufschaltung vorgesehen, um die Verwendung eines
nichtausgeglichenen Rohrwaffenrohres in einem Stabilisierungssystem zu
gestatten, welches eine hydraulische Betätigungseinrichtung mit Druckrückführung
verwendet. Die Feedforward-Aufschaltung kompensiert den durch die
Druckrückkopplung infolge der dynamischen externen Beschleunigungen des
Rohrwaffenrohres erzeugten positiven Fehler.
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Die Feedforward-Aufschaltung umfaßt einen Sensor, mit dem die dynamischen
externen Beschleunigungen detektierbar sind, und eine Feedforward-Schaltung,
welche auf den Sensor anspricht und mit der die Druckrückkopplung kompensiert
werden kann, welche aus den dynamischen externen Beschleunigungen
resultiert. Bevorzugt ist der Sensor ein linearer Beschleunigungsmesser. Der
Beschleunigungsmesser kann an der Lafette oder Rohrwiege angeordnet sein, von
der aus sich das Rohrwaffenrohr erstreckt. Die Lafette ist schwenkbar, so daß die
Rohrerhöhung nach Bedarf verändert werden kann.
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Der Beschleunigungsmesser kann an der Drehachse des Rohrwaffenrohres
angeordnet sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein Paar von Beschleunigungsmessern
zu verwenden, die in der Ebene angeordnet sind, welche die
Drehachse und den Schwerpunkt des Rohrwaffenrohres enthält. In dieser
Ausführungsform sind die Sensoren und die Feedforward-Schaltung so ausgestaltet,
daß mit der Feedforward-Schaltung die Komponenten der dynamischen externen
Beschleunigungen bestimmbar sind, die senkrecht zu der Ebene gerichtet sind.
Diese Komponenten können dann entsprechend dem Ort und der Orientierung
der Sensoren relativ zu der Achse bestimmt werden. Noch allgemeiner: es kann
eine Mehrzahl von Beschleunigungsmessern verwendet werden, wobei die
dynamische externe Beschleunigung in Übereinstimmung mit den Abständen und
Orientierungen der Beschleunigungsmesser relativ zur Drehachse bestimmt wird.
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Es ist eine Rotationsbeschleunigungs-Rückkopplungs-Regeleinrichtung
vorgesehen, welche das von der Feedforward-Aufschaltung verwendete Paar von
Beschleunigungsmessern benutzt. Die Rückkopplungs-Regeleinrichtung umfaßt eine
Rotationsbeschleunigungs-Rückkopplungsschaltung, welche auf die
Beschleunigungsmesser anspricht, um der Betätigungseinrichtung ein Dämpfungssignal
bereitzustellen, welches auf die rotatorische Beschleunigung des
Rohrwaffenrohres um die Achse bezogen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die bevorzugte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden in
Verbindung mit der beigefügten zeichnerischen Darstellung beschrieben, wobei
gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente ausweisen; in der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Waffenstabilisierungssystems nach dem
Stand der Technik;
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Fig. 2 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des
verbesserten Waffenstabilisierungssystems in Einklang mit der
Erfindung;
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Fig. 3 ein Blockdiagramm des in Fig. 2 gezeigten
Mündungsreferenzsensors;
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Fig. 4 ein Blockdiagramm der
Mündungsauslenkungs-Rückkopplungsschaltung von Fig. 2;
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Fig. 5 eine schematische Darstellung von Betätigungseinrichtung,
Rohrwaffenrohr und Lafette von Fig. 2;
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Fig. 6 eine schematische Darstellung der Rumpfhebungs-Feedforward-
Aufschaltung von Fig. 2; und
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Fig. 7 eine schematische Darstellung der Rotationsbeschleunigungs-
Rückkopplungsregeleinrichtung von Fig. 2.
WAFFENSTABILISIERUNGSSYSTEM NACH DEM STAND DER TECHNIK
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Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm, welches ein Waffenstabilisierungssystem nach
dem Stand der Technik für ein Panzerfahrzeug vom Typ M1A1 repräsentiert. Das
System ist insgesamt mit 10 bezeichnet und spricht auf einen Rate-Befehl 12 an,
um über eine hydraulische Betätigungseinrichtung 14 die Bewegung eines
Rohrwaffenrohres 16, welches sich von einer Lafette oder Rohrwiege 18 aus erstreckt,
zu veranlassen. Die Lafette 18 ist in einem (nicht gezeigten) Turm drehbar
angeordnet, der seinerseits über eine hydraulische Betätigung um seine Gierachse
drehbar ist. Der Turm enthält sein eigenes Stabilisierungssystem (nicht gezeigt),
welches anspricht, um den Turm in Einklang mit dem Rate-Befehl 12 zu drehen.
Bekanntlich steuert der Rate-Befehl 12 auch die Höhenwinkelstellung eines
Zielgerätekopfspiegels 20. Der Zielgerätekopfspiegel 20 wird durch sein eigenes,
unabhängiges Stabilisierungssystem stabilisiert, welches nicht gezeigt ist.
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Wie Fig. 1 zeigt, gibt es drei separate Rückkopplungsschleifen und einen
Feedforward-Eingang zum Stabilisieren der Position des Rohrwaffenrohres. Die erste
Rückkopplungsschleife verwendet eine Druckrückführung von der
Betätigungseinrichtung 14 in Form eines Differenzdruck-(ΔP)-Wandlers 22, der mit einer
Druck-Rückkopplungsschaltung 24 verbunden ist, die ein
Druckrückführungssignal erzeugt, welches von dem Rate-Befehl 12 an einer Summierstelle 26
subtrahiert wird. Die zweite Rückkopplungsschleife verwendet ein Rohrwaffen-Rate-
Gyro 28 und eine Rohrwaffen-Rate-Rückkopplungsschaltung 30. Das Rohrwaffen-
Rate-Gyro 28 ist mit der Lafette 18 verbunden und detektiert die tatsächliche
Geschwindigkeit des Rohrwaffenrohres 16. Diese tatsächliche Rate wird mit der
kommandierten Rate (Rate-Befehl 12) verglichen, um einen Fehler-Befehl zu
erzeugen, welcher zum Einstellen der Betätigungseinrichtung 14 verwendet wird.
Im einzelnen wird die Ausgabe des Rohrwaffen-Rate-Gyro 28 der Rohrwaffen-
Rate-Rückkopplungsschaltung 30 zugeführt, deren Ausgabe an der
Summierstelle 26 subtrahiert wird. Die dritte Rückkopplungsschleife verwendet einen
Rohrwaffen-Zapfen-Resolver 32, einen Zielgeräte-Resolver 34 und eine Positions-
Rückkopplungsschaltung 36. Diese Rückkopplungsschleife vergleicht die Position
des Rohrwaffenrohres 16 mit der Position des Zielgerätekopfspiegels 20 an einer
Summierstelle 38. An der Summierstelle 38 wird auch eine ballistische Lösung 40
injiziert, um unvermeidliche Differenzen zwischen der Position des
Zielgerätekopfspiegels 20 und des Rohrwaffenrohres 16 zu kompensieren. Wie im
vorstehenden erwähnt, sind diese Differenzen zum Beispiel zurückzuführen auf die
Flugbahn der Munition, die Geschwindigkeit eines bewegten Zieles und
dergleichen. Die Summierstelle 38 ist mit dem Eingang der
Positions-Rückkopplungsschaltung 36 verbunden, deren Ausgabe der Summierstelle 26 zugeführt wird,
um dadurch die Betätigungseinrichtung 14 anzupassen.
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Der Feedforward-Eingang wird zum Einstellen der Position des
Rohrwaffen-Rohres 16 verwendet, um Winkeländerungen des Turms um seine Nickachse zu
kompensieren. Dies geschieht durch Verwendung eines Turm-Nickbewegungs-
Gyro 42, welches mit dem Panzerturm 44 verbunden ist. Auf diese Weise werden
Terrainmerkmale 46, die über die Panzerlaufwerksaufhängung 48 mit dem
Panzerturm 44 gekoppelt sind und die dazu führen, daß sich der Panzer vor und
zurück neigt, durch das Turm-Nickbewegungs-Gyro 42 detektiert. Die Ausgabe des
Turm-Nickbewegungs-Gyros 42 wird der Summierstelle 26 zugeführt, um
dadurch
die Betätigungseinrichtung 14 anzupassen. Das von dem
Turm-Nickbewegungs-Gyro 42 kommende Signal ist mehr ein Feedforward-Aufschaltungssignal
als ein Feedback- oder Rückkoppelungssignal, weil es nicht Informationen
bezüglich Position oder Verhalten der Betätigungseinrichtung rückmeldet, sondern
einen separaten Umgebungsparameter (das Nicken) mißt und verwendet, welcher
nicht durch die Betätigung der Betätigungseinrichtung 14 beeinflußt wird.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Waffenstabilisierungssystem 50 für ein
nichtausgeglichenes, flexibles Rohrwaffenrohr 52. Bezugsziffern mit einem
hochgestellten Beistrich bezeichnen Elemente, die dieses System mit dem
Waffenstabilisierungssystem 10 von Fig. 1 gemeinsam hat.
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Das Stabilisierungssystem 50 umfaßt eine Mündungspositionsregeleinrichtung 54,
eine Rumpfhebungs-Feedforward-Aufschaltung 56 und eine
Rotationsbeschleunigungs-Rückkopplungsregeleinrichtung 57. Wie weiter unten noch ausführlicher
erläutert werden wird, ist die Mündungspositionsregeleinrichtung 54 geeignet, die
Position der Rohrwaffenmündung zu stabilisieren, um Auslenkungen des
Rohrwaffenrohres 52, die dessen Zielgenauigkeit beeinträchtigen, zu kompensieren.
Dies geschieht durch Messen der Änderung der Mündungsposition bezüglich einer
statischen Position, die durch die Orientierung des Rohrwaffenrohres 52 an der
Lafette 18' bestimmt wird. Die vertikale Komponente der Positionsänderung wird
dann dazu verwendet, den Elevationsfehler der Mündung bezüglich der
gewünschten Position, wie durch die Position der Betätigungseinrichtung 14' bestimmt,
anzugeben. Dieser Fehler wird dazu verwendet, ein Biegungskorrektursignal zu
erzeugen, welches zu der Summierstelle 26' zurückgeführt wird, um die
Betätigungseinrichtung 14' so einzustellen, daß die Mündungsposition korrigiert wird.
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Die Rumpfhebungs-Feedforward-Aufschaltung 56 ist geeignet, unerwünschte
positive Rückkopplung von dem Druckwandler 22' zu kompensieren, welche auf
dynamische externe Beschleunigungen zurückzuführen ist, durch die die Betätigungseinrichtung
14' zurückgetrieben wird, als eine Folge der Unwucht des
Rohrwaffenrohres 52. Dies geschieht durch die Verwendung von Sensoren, die
mit der Lafette 18' verbunden sind, um die dynamischen externen
Beschleunigungen des Rohrwaffenrohres 52 zu bestimmen. Weil der Betrag der
Rohrwaffenrohrunwucht bekannt ist, sind das Drehmoment, der resultierende
Differenzdruck in der Betätigungseinrichtung 14' und damit der durch die
Druck-Rückkopplungsschaltung 24' zurückgekoppelte positive Fehler alle bestimmbar.
Dementsprechend kann das von der Rumpfhebungs-Feedforward-Aufschaltung 56 in
Abhängigkeit von diesen dynamischen externen Beschleunigungen erzeugte
Hebungs-Feedforward-Aufschaltungssignal demjenigen gleichgesetzt werden,
welches benötigt wird, um die positive Rückkopplung auszulöschen.
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Wie ebenfalls weiter unten noch ausführlicher erläutert werden wird, ist die
Rotationsbeschleunigungs-Rückkopplungsregeleinrichtung 57 geeignet, eine
dämpfende Rückführung auf den Eingang der Betätigungseinrichtung 14' zu liefern.
Dies geschieht unter Verwendung derselben Sensoren, wie sie von der
Feedforward-Aufschaltung 56 verwendet werden.
Mündungspositionsregeleinrichtung
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Die Mündungspositionsregeleinrichtung 54 umfaßt einen
Mündungsreferenzsensor 58 und eine Mündungsauslenkungs-Rückkopplungsschaltung 60. Der
Mündungsreferenzsensor 58 ist mit dem Rohrwaffenrohr 52 verbunden und wird dazu
verwendet, den Betrag der Biegung des Rohrwaffenrohres 52 zu messen. Im
einzelnen, und unter Bezugnahme auf Fig. 3, umfaßt der
Mündungsreferenzsensor 58 einen IR-Transceiver 62, einen Zielspiegel 64, einen 5 kHz
Signal-Erzeuger 66, einen X-Achsen-Demodulator 68, ein X-Achsen-Tiefpaßfilter 70, einen
Y-Achsen-Demodulator 72 und ein Y-Achsen-Tiefpaßfilter 74. Der
IR-Transceiver 62 ist an der Lafette 18' angeordnet, während der Spiegel 64 an der
Mündung 76 des Rohrwaffenrohres 52 angeordnet ist. Der Transceiver 62 umfaßt
einen Infrarot-Diodenlaser 78, der Licht mit einer Wellenlänge von 900 bis
1000 Nanometer ausstrahlt. Die Ausgabe des Lasers 78 wird mit der Frequenz
von 5 kHz moduliert, wobei die Ausgabe des Signalgenerators 66 verwendet
wird. Der Transceiver 62 enthält auch einen IR-Empfänger 80, der Licht mit einer
Wellenlänge von 800 bis 1100 Nanometer empfängt. Der IR-Empfänger 80
detektiert den Laserstrahl durch Unterscheidung des mit 5 kHz modulierten
900-1000 nm-Lichtes von umliegenden Hintergrundquellen. Der IR-Empfänger 80
detektiert in zwei Achsen und ist geeignet, ein Paar zueinander orthogonaler
Mündungsauslenkungssignale auszugeben: eine X-Achsen-Ausgangsspannung
und eine Y-Achsen-Ausgangsspannung. Jede dieser Ausgangsspannungen ist
proportional dem Abstand entlang der jeweiligen Achse zwischen dem
auftreffenden Laserstrahl und dem Ursprung der zwei Koordinatenachsen.
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Der Laserstrahl wird auf den Spiegel 64 gerichtet, der so orientiert ist, daß er den
Laserstrahl zu dem IR-Empfänger 80 zurückreflektiert. Im einzelnen ist der
Spiegel 64 so orientiert, daß, wenn das Rohrwaffenrohr 52 nicht gebogen ist (d. h.
wenn die Rohrwaffenmündung 76 in ihrer statischen Position ist, so daß die
tatsächliche Feuerlinie gleich der durch den Rohrwaffen-Zapfen-Resolver 32'
gemessenen Feuerlinie ist), das Laserlicht auf die Mitte oder ungefähr die Mitte des
Spiegels 64 einfällt und das von dem Spiegel 64 reflektierte Laserlicht auf den
Koordinatenursprungspunkt des IR-Empfängers 80 einfällt. Jetzt wird jedes
Biegen oder Verbiegen des Rohrwaffenrohres 52, welches eine Auslenkung der
Rohrwaffenmündung von der statischen Position verursacht, eine lineare
Verschiebung des einfallenden Laserstrahls gegenüber dem Ursprung des
IR-Empfängers 80 verursachen. Diese Verschiebung ist ein Maß für die
Winkelverschiebung des Spiegels 64 und kann für die X-Achse nach folgender Gleichung
bestimmt werden:
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x = x&sub0; + d sin(2θmx) (1)
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wobei:
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x = die seitliche Strahlverschiebung
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x&sub0; = der statische Strahlort (z. B. der Ursprung der Achsen)
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d = der Abstand zwischen Transceiver 62 und Spiegel 64 und
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θmx = die Winkelverschiebung in Richtung der X-Achse des Spiegels 64 aus
der statischen Position.
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Für kleine Winkel kann die Gleichung vereinfacht werden als:
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x = x&sub0; + 2d sin θmx (2)
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Die Berechnung für die Y-Achse ist ähnlich und ist gegeben durch die Gleichung:
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y = y&sub0; + d sin(2θmy) (3)
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wobei:
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y = die seitliche Strahlverschiebung
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y&sub0; = der anfängliche Strahlort (z. B. der Ursprung der Achsen)
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d = der Abstand zwischen Transceiver 62 und Spiegel 64 und
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θmy = die Winkelverschiebung in Richtung der Y-Achse des Spiegels 64 aus
der statischen Position.
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Auch hier gilt, daß für kleine Winkel die Gleichung wie folgt vereinfacht werden
kann:
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y = y&sub0; + 2d sin θmy (4)
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Der X-Achsen-Demodulator 68 empfängt das X-Achsenausgangssignal von dem
IR-Empfänger 80 und demoduliert dieses Signal, wodurch ein kontinuierliches
Signal erzeugt wird. Dieses demodulierte Signal wird dann durch das X-Achsen-
Tiefpaßfilter 70, welches eine 3 dB-Grenzfrequenz von 500 Hz aufweist, gefiltert.
Die Ausgabe des Tiefpaßfilters 70 ist ein Horizontalpositions-Ausgangssignal. Der
Y-Achsen-Demodulator 72 und das Y-Achsen-Tiefpaßfilter 74 funktionieren in
ähnlicher Weise, um ein Vertikalpositions-Ausgangssignal zu erzeugen.
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Die Y-Achse des Mündungsreferenzsensors 58 ist so angeordnet, daß sie
senkrecht zur Dreh- oder Schwenkachse des Rohrwaffenrohres 52 und senkrecht zur
Feuerlinie gerichtet ist. Damit entsprechen die Auslenkungen der
Rohrwaffenmündung 76 in Richtung der Y-Achse, die von dem Mündungsreferenzsensor 58
detektiert werden, höhen- oder höhenwinkelmäßigen Änderungen der
Mündung 76 von ihrer statischen Position. Diese höhenmäßigen Auslenkungen
können dadurch kompensiert werden, daß die Position der
Betätigungseinrichtung 14' verstellt wird; d. h. es ist keine Links-nach-Rechts-Korrektur des
Panzerturms erforderlich, um die Komponente der Mündungsauslenkung in Richtung
der Y-Achse zu kompensieren. Auf ähnliche Weise können Auslenkungen in
Richtung der X-Achse kompensiert werden, indem die Winkellage des
Panzerturms um seine Gierachse angepaßt wird, ohne daß es einer Anpassung der
Position der Betätigungseinrichtung 14' bedarf. Daher wird, wie im folgenden noch
erörtert werden wird, das Vertikalpositions-Ausgangssignal dazu verwendet, die
Betätigungseinrichtung 14' so anzupassen, daß die Höhenwinkelstellung des
Rohrwaffenrohr 52 korrigiert wird, während das
Horizontalpositions-Ausgangssignal verwendet wird, um die Geschützturm-Betätigungseinrichtung so
anzupassen, daß die horizontale Position des Rohrwaffenrohres 52 korrigiert wird.
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Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, gemäß welcher die
Mündungsauslenkungs-Rückkopplungsschaltung 60 auf das Vertikalpositions-Ausgangssignal
anspricht, um ein Vertikalbiegungskorrektursignal zu erzeugen, um die Position der
Rohrwaffenrohr-Betätigungseinrichtung anzupassen. Wie Fig. 4 zeigt, umfaßt
die Rückkopplungsschaltung 60 eine
PD-(Proportional-Differential-)Regeleinrichtung 82 mit einem ersten Verstärker 84, der das Proportionalglied liefert, und
eine bandbreitenbegrenzte Differenzierschaltung 86, welche das differenzierende
Glied bereitstellt. Die Rückkopplungsschaltung 60 weist auch einen zweiten
Verstärker 88 auf, der das Differenzierglied skaliert. Das Proportionalglied und das
skalierte Differenzierglied werden an einer Summierstelle 90 summiert, um
dadurch das Vertikalbiegungskorrektursignal zu erzeugen, welches der
Summierstelle 26' zugeführt wird. Bevorzugt ist die Differenzierschaltung 86 eine
bandbreitenbegrenzte Differenzierschaltung mit einer Mittenfrequenz von 80 Hz, so
daß sie also bis hin zu 80 Hz differenziert und mit einer Rate zweiter Ordnung
oberhalb dieser Frequenz abfällt.
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Für den Fachmann wird erkennbar sein, daß die Skalierung der Proportional- und
Differenzierglieder sowie die Grenzfrequenzen der Differenzierschaltung 86 in
Einklang mit der jeweiligen Anwendung der
Mündungspositionsregeleinrichtung 54 gewählt werden können. Außerdem kann die Mündungsauslenkungs-
Rückkopplungsschaltung 60 entweder als analoge Schaltung realisiert werden,
unter Verwendung von aktiven und passiven Komponenten, oder als
Digitalschaltung, unter Verwendung eines programmierten Mikroprozessors, wie auf
dem Fachgebiet bekannt.
-
Die Mündungsauslenkungs-Rückkopplungsschaltung 60 kann auch eine zweite
PD-Regeleinrichtung 92 aufweisen, welche das Horizontalpositionsausgangssignal
empfängt und ein Horizontalbiegungskorrektursignal erzeugt, welches in dem
Turm-Stabilisierungssystem verwendet wird, um die Position des Turms
anzupassen. Auch in diesem Fall werden die jeweiligen Eigenschaften der
PD-Regeleinrichtung 92 entsprechend dem Turm oder der anderen Plattform, für den bzw. für
die die Mündungspositionsregeleinrichtung 54 verwendet werden soll, gewählt.
Rumpfhebungs-Feedforward-Aufschaltung
-
Es wird nun erneut kurz auf Fig. 2 Bezug genommen, gemäß welcher die
Rumpfhebungs-Feedforward-Aufschaltung 56 eine
Beschleunigungssensor-Anordnung 94 und eine Rumpfhebungs-Feedforward-Schaltung 96 aufweist, welche
auf die Sensoranordnung 94 anspricht, um ein
Rumpfhebungs-Feedforward-Aufschaltungssignal für die Summierstelle 26' zu liefern. Wie im vorstehenden
erwähnt, ist die Feedforward-Aufschaltung 56 geeignet, die positive Rückkopplung
von der Druck-Rückkopplungsschaltung 24' zu kompensieren, die aus
dynamischen externen Beschleunigungen resultiert, welche auf das nichtausgeglichene
Rohrwaffenrohr 52 einwirken. Weiter, wie oben definiert, sind dynamische
externe Beschleunigungen des Rohrwaffenrohres 52 Beschleunigungen des
Rohrwaffenrohres 52, welche nicht durch die Betätigung der Betätigungseinrichtung
14' verursacht werden und welche nicht auf die statische 1 g-Erdanziehung
zurückzuführen sind. Eine allgemein bekannte Art von dynamischen externen
Beschleunigungen sind terraininduzierte Störungen, welche über die
Fahrzeugaufhängung und das Fahrzeuglaufwerk mit dem Rohrwaffenrohr 52 gekoppelt sind.
-
Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, anhand derer die Grundlagen des
Aufbaus und der Funktionsweise der Betätigungseinrichtung 14' beschrieben werden.
Das Rohrwaffenrohr 52 erstreckt sich von einer Lafette 18' aus; Rohr und Lafette
bilden zusammen eine dreh- oder schwenkbare Rohrwaffenanordnung 100, die
einen Schwerpunkt oder Massenmittelpunkt 102 aufweist, der aus der Zapfen-
oder Drehachse 104 der Anordnung versetzt ist. Die Betätigungseinrichtung 14'
ist mit der schwenkbaren Rohrwaffenanordnung 100 über eine
Koppeleinrichtung 106 verbunden. Wie gezeigt, umfaßt die Betätigungseinrichtung 14' einen
Zylinder 108 mit einem darin angeordneten Kolben 110, der entlang der Achse
des Zylinders 108 beweglich ist. Der Kolben 110 ist über eine starre
Verbindungseinrichtung 112 mit der Koppeleinrichtung 106 verbunden, so daß eine
Bewegung des Kolbens 110 zu einer entsprechenden Bewegung der
Rohrwaffenanordnung 100 um die Zapfenachse 104 führt. Der Kolben 110 definiert ein Paar
Räume 114, 116 innerhalb des Zylinders 108, wobei je ein Raum auf den
einander gegenüberliegenden Seiten des Kolben 110 angeordnet ist. Im einzelnen ist
der Raum 114 zwischen einer oberen Wandung 118 des Zylinders 108 und der
Oberseite des Kolbens 110 definiert. Der Raum 116 ist zwischen der Unterseite
des Kolbens 110 und einer feststehenden Zwischenwand 120 des Zylinders 108
definiert. In jedem der Räume 114, 116 befindet sich ein Hydraulikfluid. Ein
Servoventil 122 ist mit dem Zylinder 108 verbunden, um jedem der Räume 114, 116
Hydraulikfluid zuzuführen oder zu entnehmen. Wie bekannt, wird die Position des
Kolbens 110 innerhalb des Zylinders 108 durch die relativen Mengen an
Hydraulikfluid in den Kammern 114 bzw. 116 bestimmt. Um also den Kolben 110 nach
unten und damit das Rohrwaffenrohr 52 nach oben zu bewegen, bewirkt das
Servoventil 122, daß dem Raum 114 Hydraulikfluid zugeführt wird und zugleich
Fluid aus dem Raum 116 abgeführt wird. Die Veränderungen in den Fluidmengen
in den Räumen 114, 116 erzeugen eine Druckdifferenz, die den Kolben 110 in die
Richtung zwingt, die erforderlich ist, um die Drücke wieder auszugleichen.
-
Um zu gewährleisten, daß die Antwort des Rohrwaffenrohres 52 nicht
unterdämpft ist, werden ein Druckwandler 22' und eine
Druck-Rückkopplungsschaltung 24' verwendet, um eine negative Rückkopplung zu liefern. Im einzelnen:
wenn der Rate-Befehl 12' dem Eingang der Betätigungseinrichtung 14' zugeführt
wird, bewirkt das Servoventil 122 die Änderung der Hydraulikfluidmengen in den
Räumen 114 und 116, um eine Druckdifferenz zwischen den Räumen zu
erzeugen, welche eine Bewegung des Kolbens 110 und damit des Rohrwaffenrohres 52
verursacht. Diese Druckdifferenz wird von dem Wandler 22' detektiert und wird
der Rückkopplungsschaltung 24' zugeführt, welche von dem Rate-Befehl 12'
einen Betrag subtrahiert, der dem gemessenen Differenzdruck proportional ist.
Diese Rückführung bewirkt, daß die Antwort der Betätigungseinrichtung 14' auf
den Rate-Befehl 12' gedämpft wird. Wenn also zum Beispiel ein Rate-Befehl 12'
gegeben wird, um das Rohrwaffenrohr 52 zu heben, dann würde das
Servoventil 122 bewirken, daß dem Raum 114 Hydraulikfluid hinzugegeben wird und dem
Raum 116 Hydraulikfluid entnommen wird. Durch diese Maßnahme würde der
Druck im Raum 114 zunehmen und der Druck im Raum 116 abnehmen. Die
Druck-Rückkopplungsschaltung 24' würde deshalb bewirken, daß ein Signal an
der Summierstelle 26' hinzuaddiert wird, welches die Tendenz hat, diese
Druckdifferenz zu verkleinern; das heißt, das von der Rückkopplungsschaltung 24'
gelieferte Druckrückführungssignal würde den Fluß in den Raum 114 hinein und den
Fluß aus dem Raum 116 heraus vermindern, um dadurch die Druckdifferenz
zwischen diesen Räumen zu verringern.
-
Diese Druckrückkopplungsschleife wirft jedoch für nichtausgeglichene
Rohrwaffenrohre ein Problem auf, weil - wie eine Betrachtung von Fig. 5 ohne weiteres
erkennen läßt - die Rohrwaffenanordnung 100 bewirken wird, daß der
Kolben 110 nach oben gezogen wird, aufgrund der Tatsache, daß der
Massenmittelpunkt 102 aus der Zapfenachse 104 gegen die Mündung des
Rohrwaffenrohres 52 hin verlagert ist. Die auf die Betätigungseinrichtung 14' ausgeübte Kraft,
die aus dieser Unwucht resultiert, führt dazu, daß der Druck in dem Raum 114
zunimmt und der Druck in dem Raum 116 abnimmt. Damit wird eine
Druckdifferenz erzeugt, die - wie im vorstehenden erwähnt - die
Rückkopplungsschaltung 24' veranlaßt, die Betätigungseinrichtung 14' in einer Weise zu verstellen,
die dazu tendiert, die Druckdifferenz zu verkleinern. Eine Folge davon ist, daß,
selbst wenn der Rate-Befehl 12' den Wert Null hat (d. h. wenn keine Bewegung
der Rohrwaffenrohres 52 befohlen wird), die Druckdifferenz die
Rückkopplungsschaltung 24' veranlassen wird, der Betätigungseinrichtung 14' ein
Eingangssignal zuzuführen, welches Fluid aus dem Raum 114 abführt und Fluid in den
Raum 116 hinzugibt, wodurch das Rohrwaffenrohr 52 nach unten bewegt wird.
Es wird erkennbar sein, daß die nach unten gerichtete Kraft, die auf das
Rohrwaffenrohr 52 infolge der Schwerkraft ausgeübt wird, eine Druckdifferenz
erzeugt, in deren Folge die Betätigungseinrichtung 14' bewirkt, daß das
Rohrwaffenrohr 52 nach unten bewegt wird. Das Umgekehrte gilt gleichermaßen für eine
von außen einwirkende, nach oben gerichtete Kraft. Die Aufwärtskraft erhöht den
Druck in dem Raum 116 auf einen Wert über dem in dem Raum 114, und die
Druck-Rückkopplungsschaltung 24' bewirkt, daß das Rohrwaffenrohr 52 nach
oben bewegt wird, um die Drücke in den Räumen auszugleichen.
-
Diese Verwendung von Druckrückführung ist nicht wünschenswert, weil sie die
Antwort der Betätigungseinrichtung 14' auf einen Rate-Befehl 12' nicht dämpft,
sondern vielmehr auf eine von außen einwirkende Kraft anspricht, um das
Rohrwaffenrohr in die Richtung der ausgeübten Kraft zu bewegen. Die
Druckrückführung erzeugt also eine positive Rückkopplung als Antwort auf externe
Beschleunigungen des Rohrwaffenrohres 52. Um diese positive Rückkopplung
auszulöschen, muß die auf die Betätigungseinrichtung 14' ausgeübte Kraft bestimmt
werden, welche aus den statischen und dynamischen externen Beschleunigungen
des Rohrwaffenrohres 52 resultiert. Diese Kraft ist abhängig von dem
Drehmoment, welches an der Zapfenachse 104 erzeugt wird, infolge der Versetzung des
Massenmittelpunktes 102 in Richtung der Rohrwaffenmündung. Diese Versetzung
definiert einen Dreharm, der einen Abstand dcg aufweist. Weil Beschleunigungen
der Rohrwaffenanordnung 100 so wirken, als wären sie im
Massenmittelpunkt 102 konzentriert, erzeugen externe Beschleunigungen des
Rohrwaffenrohres 52 ein Drehmoment τ an der Zapfenachse 102. Dieses Drehmoment kann
nach folgender Gleichung berechnet werden:
-
τ = mgaedcg (5)
-
wobei:
-
mg = die Masse der Rohrwaffenanordnung 100
-
ae = die gemessene externe Beschleunigung und
-
dcg = der Abstand des Massenmittelpunktes 102 von der Zapfenachse 104.
-
Dieses Drehmoment erzeugt eine auf die Betätigungseinrichtung 14' ausgeübte
Kraft Fa, die mit Hilfe der folgenden Gleichung bestimmt werden kann:
-
F = τ/da = mgaedcg/da (6)
-
worin da der Abstand zwischen der Koppeleinrichtung 106 und der
Zapfenachse 104.
-
Diese Kraft setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: aus einer statischen
Kraft Fg, die auf der statischen 1 g-Beschleunigung infolge der Erdschwere
beruht, und einer dynamischen Kraft Fde infolge dynamischer externer
Beschleunigungen. Es ergibt sich:
-
ae = g + ade (7)
-
wobei:
-
g = die Beschleunigung infolge der Erdanziehungskraft und
-
ade = die dynamische externe Beschleunigung.
-
Einsetzen von Gleichung (7) in Gleichung (6) liefert:
-
Weil Fg diejenige Komponente der an der Betätigungseinrichtung 14'
angreifenden Kraft Fa ist, die auf die statische 1 g-Beschleunigung g der Erde
zurückzuführen ist, und weil Fde diejenige Komponente der Kraft Fa ist, welche auf die
dynamische externe Beschleunigung ade zurückzuführen ist, folgt:
-
Fg = mggdcg/da (9)
-
und
-
Fde = mgadedcg/da (10)
-
Weil alle Variablen der Gleichung (9) vorab bestimmbar sind und nicht in
Abhängigkeit von der jeweiligen Waffenrohr- und Betätigungseinrichtungsanordnung
variieren, kann die Kraft Fg, welche bewirkt, daß der Kolben 110 nach oben
gezogen wird, vorausbestimmt werden. Ferner kann für jede beliebige
Betätigungseinrichtung 14' der aus der Kraft Fg resultierende Druck vorausbestimmt werden,
und demzufolge kann auch die Kompensation, die erforderlich ist, um der Kraft Fg
entgegenzuwirken, vorausbestimmt werden. Wie in Fig. 5 gezeigt, kann diese
Kompensation in Gestalt eines mit der Betätigungseinrichtung 14' verbundenen,
Stickstoffgas enthaltenden Gefäßes 124 vorgesehen sein. Das Gas setzt einen
Raum 126 unter Druck, der zwischen der Zwischenwandung 120 und der
Oberseite eines zweiten Kolbens 128 definiert ist, welcher mit dem Kolben 110 über
eine zweite Verbindungseinrichtung 130 starr verbunden ist. Ein unterer
Raum 132, der zwischen der Unterseite des Kolbens 128 und einer
Bodenwandung 134 des Zylinders 108 definiert ist, gestattet eine Abwärtsbewegung des
Kolbens 128 und ist über eine Entlüftungsöffnung 136 gegen Atmosphäre offen.
-
Der Druck im Inneren des Raumes 126 ist so gewählt, daß er eine abwärts
gerichtete Kraft auf den Kolben 128 erzeugt, die gleichgroß der statischen Kraft Fg,
aber entgegengesetzt gerichtet ist. Auf diese Weise wirkt die
Betätigungseinrichtung 14' der Kraft Fg entgegen und verhindert, daß Fg eine Druckdifferenz
zwischen den Räumen 114 und 116 verursacht, die eine positive Rückkopplung
erzeugt. Jedoch müssen noch die dynamischen externen Beschleunigungen,
welche die an der Betätigungseinrichtung 14' angreifende dynamische Kraft Fde
erzeugen, berücksichtigt werden, weil auch sie eine unerwünschte positive
Rückkopplung erzeugen.
-
Erfindungsgemäß geschieht dies durch Messen der dynamischen externen
Beschleunigung ade, welche die einzige Variable in Gleichung (10) darstellt, die nicht
vorab bestimmt werden kann. Unter Verwendung dieser gemessenen
Beschleunigung kann die Kraft Fde bestimmt werden, und unter Verwendung der
bekannten Charakteristika einer bestimmten Betätigungseinrichtung 14' bzw. eines
Druckwandlers 22', kann das von dem Wandler 22' erzeugte Signal und damit die
von der Rückkopplungsschaltung 24' gelieferte positive Rückkopplung bestimmt
und eliminiert werden. In der Praxis muß die Kraft Fde nicht wirklich berechnet
werden; vielmehr kann die Rumpfhebungs-Feedforward-Schaltung 96 so
ausgebildet sein, daß sie auf die gemessene dynamische externe Beschleunigung ade
anspricht, um ein Signal zu erzeugen, welches die positive Rückkopplung, die der
Summierstelle 26' von der Rückkopplungsschaltung 24' zugeführt wird,
auslöscht.
-
Die Messung der dynamischen externen Beschleunigung ade durch die
Sensoranordnung 94 kann auf verschiedenen Wegen geschehen, ohne den Bereich der
Erfindung zu verlassen. So könnte die Sensoranordnung 94 zum Beispiel einen
einzelnen linearen Beschleunigungsmesser umfassen, der auf der
Zapfenachse 104 angeordnet und so ausgerichtet ist, daß seine Achse senkrecht zu der
Ebene liegt, welche die Zapfenachse 104 und den Massenmittelpunkt 102
enthält. In dieser Anordnung würde der Beschleunigungsmesser 94 eine direkte
Messung der dynamischen externen Beschleunigung liefern, die auf die
Rohrwaffenanordnung 100 einwirkt.
-
Eine andere Möglichkeit, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, beruht darauf, daß die
Sensoranordnung 94 ein Paar linearer Beschleunigungsmesser 140, 142 umfaßt,
welche an der Lafette 18' angeordnet sind. Der Beschleunigungsmesser 140
befindet sich in der Nähe des Verschlusses der Rohrwaffenanordnung 100, während
der Beschleunigungsmesser 142 auf der anderen Seite der Zapfenachse 104 in
der Nähe des Punktes angeordnet ist, an dem das Rohrwaffenrohr 52 aus der
Lafette 18' heraustritt. Die Beschleunigungsmesser 140 und 142 sind beide in
einer imaginären Ebene angeordnet, welche die Zapfenachse 104 und den
Massenmittelpunkt 102 enthält. Ferner sind die Beschleunigungsmesser 140 und 142
so orientiert, daß ihre Achsen senkrecht zu dieser Ebene stehen. Auf diese Weise
messen die Beschleunigungsmesser 140 und 142 nur diejenige Komponente der
dynamischen externen Beschleunigung, die senkrecht zu dem zwischen dem
Massenmittelpunkt 102 und der Zapfenachse 104 existierenden Dreharm steht
und an diesem angreift.
-
Weil die Beschleunigungsmesser 140 und 142 nicht auf der Zapfenachse 104
angeordnet sind, können die von ihnen gemessenen Beschleunigungen zwei
Komponenten haben: eine rotatorisch wirkende Beschleunigung und eine
translatorisch wirkende Beschleunigung. Die rotatorische Komponente wird die
Beschleunigung infolge Betätigung der Betätigungseinrichtung 14' einschließen,
wofür die Druckrückführung von der Rückkopplungsschaltung 24' wünschenswert
ist. Die translatorische Komponente ist die Beschleunigung infolge Rumpfhebung
oder, in anderen Worten, die dynamische externe Beschleunigung, welche die
positive Rückkopplung verursacht, die ausgelöscht werden soll. Demnach müssen
die von den Beschleunigungsmessern 140 und 142 gemessenen
Beschleunigungen in ihre anteiligen Komponenten zerlegt werden.
-
Die Gleichungen für die gemessenen Beschleunigungen unter Verwendung der
Beschleunigungsmesser 140 und 142 sind:
-
a&sub1; = k(ade - d&sub1;α) (11)
-
bzw.
-
a&sub2; = k(ade + d&sub2;α) (12)
-
wobei:
-
a&sub1; = die von dem Beschleunigungsmesser 140 gemessene Beschleunigung
-
a&sub2; = die von dem Beschleunigungsmesser 142 gemessene Beschleunigung
-
k = der Verstärkungsfaktor für die Beschleunigungsmesser 140 und 142
-
d&sub1; = der Abstand zwischen dem Beschleunigungsmesser 140 und der
Zapfenachse 104
-
d&sub2; = der Abstand zwischen dem Beschleunigungsmesser 142 und der
Zapfenachse 104 und
-
α = die Rotationsbeschleunigung des Rohrwaffenrohres 52.
-
Der Verstärkungsfaktor k für die Beschleunigungsmesser 140 und 142 ist eine
den Beschleunigungsmessern inhärente Charakteristik, welche die Voltzahl je
Beschleunigungseinheit bestimmt, die die Beschleunigungsmesser liefern. Die
Abstände d&sub1; und d&sub2; sind bekannt. Deshalb können die zwei Unbekannten dieser
Gleichungen, ade und α, nach den üblichen Methoden zur Lösung zweier
unabhängiger Gleichungen mit zwei Unbekannten ermittelt werden. Im einzelnen
ergibt die Subtraktion der Gleichung (12) von Gleichung (11):
-
a&sub1; - a&sub2; = kade - kd&sub1;α - kade - kd&sub2;α (13)
-
Vereinfacht ändert sich diese Gleichung in:
-
a&sub1; - a&sub2; = kd&sub1;α - kd&sub2;α = -kα(d&sub1; + d&sub2;) (14)
-
Die Auflösung nach α liefert die Gleichung:
-
Die dynamische externe Beschleunigung ade kann bestimmt werden, indem
zuerst die Gleichung (11) mit d&sub2; und die Gleichung (12) mit d&sub1; multipliziert und
dann die ade-Terme auf die linken Seiten der zwei resultierenden Gleichungen
verschoben werden, wie folgt:
-
d&sub2;kade = d&sub2;a&sub1; - d&sub2;kd&sub1;α (16)
-
d&sub1;kade = d&sub1;a&sub1; + d&sub1;kd&sub2;α (17)
-
Diese Gleichungen können dann addiert werden, wobei man folgende Gleichung
erhält:
-
d&sub2;kade + d&sub1;kade = d&sub2;a&sub1; + d&sub1;a&sub2; - d&sub2;kd&sub1;α + d&sub1;kd&sub2;α (18)
-
Die Gleichung (18) kann vereinfacht werden zu:
-
kade (d&sub1; + d&sub2;) = d&sub2;a&sub1; + d&sub1;a&sub2; (19)
-
Die Gleichung (19) kann dann nach ade aufgelöst werden, unter Erhalt:
-
ade = a&sub1;(d&sub2;/k(d&sub1; + d&sub2;)) + a&sub2;(d&sub1;/k(d&sub1; + d&sub2;)) (20)
-
So kann die auf das Rohrwaffenrohr 52 einwirkende dynamische externe
Beschleunigung ade bestimmt werden, und unter Verwendung der Gleichung (10)
kann die auf die Betätigungseinrichtung 14' ausgeübte Kraft Fde bestimmt
werden.
-
Es wird nun auf Fig. 6 Bezug genommen, welche die
Rumpfhebungs-Feedforward-Aufschaltung 96 zeigt. Die Feedforward-Aufschaltung 96 empfängt als ihre
Eingangssignale die von den Beschleunigungsmessern 140 und 142 gemessenen
Beschleunigungen. Sie kombiniert diese Eingangssignale unter Verwendung eines
Operationsverstärkers 144, an dessen Ausgang ein Signal erscheint, das
proportional der Summe der Eingangssignale ist. Das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers 144 wird mit einem Verstärker 146 nach Bedarf skaliert, um das
Rumpfhebungs-Feedforward-Aufschaltungssignal zu erzeugen, welches der
Summierstelle 26' zugeführt wird, um die von der
Rückkopplungsregeleinrichtung 24' erzeugte positive Rückkopplung auszulöschen.
-
Im einzelnen ist der Ausgang des Beschleunigungsmessers 142 über einen
Eingangswiderstand 148 auf den invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 144 gelegt. Der Ausgang des Beschleunigungsmessers 140 ist über einen
zweiten Eingangswiderstand 150 auf den invertierenden Eingang gelegt. Der
invertierende Eingang ist über einen Widerstandsteiler mit Widerständen 152
und 154 und einem dritten Eingangswiderstand 156 negativ vorgespannt. Der
nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 144 ist über einen
Widerstand 158 und einen Filterkondensator 160 auf null Volt gesetzt. Ein
Rückführwiderstand 162 wird verwendet, um den gewünschten Betrag an Verstärkung
entsprechend ihrem Wert bezogen auf die drei Eingangswiderstände 148, 150
und 156 bereitzustellen. Ein Kondensator 164 sorgt für Hochfrequenzabfall.
-
Wie die obige Gleichung (20) zeigt, steht die Differenz zwischen den von den
Beschleunigungsmessern 140 und 142 gemessenen Beschleunigungen in
Beziehung zu den relativen Abständen dieser Beschleunigungsmesser von der
Zapfenachse 104. Diese Differenz findet Berücksichtigung, indem die relativen Werte
der Widerstände 148 und 150 so gewählt werden, daß sie gleichgroß dem
Verhältnis der Abstände d&sub2; und d&sub1; sind. Das heißt, die Werte der Widerstände 148
und 150 werden in Einklang mit der folgenden Gleichung gewählt:
-
R&sub1;&sub4;&sub8;/R&sub1;&sub5;&sub0; = d&sub2;/d&sub1; (21)
-
Der Verstärker 146 umfaßt einen Operationsverstärker 166, einen
Eingangswiderstand 168, einen Rückführwiderstand 170 und einen Widerstand 172, der den
nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 166 mit Masse verbindet.
Die relativen Werte der Widerstände 168 und 170 sind so gewählt, daß das von
dem Operationsverstärker 166 erzeugte Feedforward-Aufschaltungssignal von
gleicher Größe (aber entgegengesetzter Polarität) ist wie das
Druckrückkopplungssignal, welches von der Rückkopplungsschaltung 24' erzeugt wird, wenn das
Rohrwaffenrohr 52 einer rein dynamischen externen Beschleunigung ausgesetzt
wird. Bei so gesetzten Widerstandswerten wird die Feedforward-Schaltung 96
den von der Rückkopplungsschaltung 24' infolge der dynamischen externen
Beschleunigungen erzeugten positiven Fehler auslöschen.
-
Bevorzugt sind die Beschleunigungsmesser 140 und 142 direkt entweder mit dem
Rohrwaffenrohr 52 oder der Lafette 18' verbunden; im weiteren Sinne der
Erfindung können sie aber auch an einer anderen geeigneten Stelle zum Detektieren
der dynamischen externen Beschleunigungen, die das Rohrwaffenrohr 52 erfährt,
angeordnet sein. Die Beschleunigungsmesser 140 und 142 können beide
Beschleunigungsmesser vom Typ 4855F-5-A sein, ein Produkt der Firma Systron
Donner, Concord, Kalifornien. Geeignete Werte für die Widerstände und
Kondensatoren der Feedforward-Schaltung 96 sind im Anhang aufgeführt. Die
Operationsverstärker 144 und 166 können jeweils ein Viertel eines OP400-Vierfach-
Operationsverstärkers sein, ein Produkt der Firma Precision Monolithic
Incorporated.
Rotationsbeschleunigungs-Rückkopplungsregeleinrichtung
-
Es wird nun auf Fig. 7 Bezug genommen, welche die Rotationsbeschleunigungs-
Rückkopplungsregeleinrichtung 57 zeigt. Die Rückkopplungsregeleinrichtung 57
benutzt die Beschleunigungsmesser 140 und 142 und eine
Rotationsbeschleunigungs-Rückkopplungsschaltung 174. Für den Fachmann wird jedoch erkennbar
sein, daß der Ausgang des Rohrwaffen-Rate-Gyro 28' differenziert werden
könnte, wie bei Symbol 175 von Fig. 2 dargestellt, und dann an Stelle der
Beschleunigungsmesser 140 und 142 verwendet werden könnte.
-
Die Rückkopplungsschaltung 174 weist eine erste Stufe auf, welche einen
Operationsverstärker 176 mit einem ersten Eingangswiderstand 178 umfaßt, der den
Beschleunigungsmesser 142 mit dem invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 176 koppelt, und mit einem zweiten Eingangswiderstand 180, welcher
den Beschleunigungsmesser 140 mit dem nichtinvertierenden Eingang koppelt.
-
Die Summierung der Beschleunigungsmesser in entgegengesetzte Eingänge des
Operationsverstärkers 176 liefert die Subtraktion der
Beschleunigungsmesserausgänge, wie nach Gleichung (15) erforderlich. Die Widerstände 182 und 184
liefern den gewünschten Grad an Verstärkung. Es ist keine
Relativdimensionierung der Ausgänge der Beschleunigungsmesser 140 und 142 notwendig, so daß
die Widerstände 178 und 180 gleich sein können und die Widerstände 182
und 184 gleich sein können.
-
Die Rotationsbeschleunigungs-Rückkopplungsschaltung 174 umfaßt außerdem
einen zweiten Operationsverstärker 186, der den gewünschten Grad an
Verstärkung des Ausgangs des Operationsverstärkers 176 liefert. Es kommt ein
Eingangswiderstand 188 zur Verwendung, der zwischen dem Ausgang des
Operationsverstärkers 176 und dem invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 186 geschaltet ist, sowie ein Rückführwiderstand 190, der zwischen dem
Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 186
geschaltet ist. Ein Widerstand 192 verbindet den nichtinvertierenden Eingang des
Operationsverstärkers 186 mit Masse. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Ausgang der
Rückkopplungsschaltung 174 (d. h. der Ausgang des Operationsverstärkers 186)
auf eine Summierstelle 26' gelegt. Falls gewünscht, könnte der Rate-Befehl 12'
differenziert werden und mit diesem Ausgang verglichen werden, um einen
Fehlerterm zu erzeugen, der die Betätigungseinrichtung 14' verstellt. Dieser
Vergleich ist jedoch nicht nötig, weil die von der
Rotationsbeschleunigungs-Rückkopplungsschaltung 174 gelieferte Rückführung in jedem Fall so wirkt, daß die
Antwort des Rohrwaffenrohres 52 auf den Rate-Befehl 12' gedämpft wird. Die
Komponentenwerte für die Widerstände und Kondensatoren der
Rückkopplungsschaltung 174 sind ebenfalls im Anhang gegeben. Die Operationsverstärker 176
und 186 können vom gleichen Typ sein wie die Operationsverstärker 144
und 166.
-
Es wird erkennbar sein, daß mit der vorliegenden Erfindung ein verbessertes
Waffenstabilisierungssystem bereitgestellt wird, welches die hierin beschriebenen
Aufgaben und Vorteile erfüllt bzw. erzielt. Es versteht sich, daß die vorstehende
Beschreibung bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung vorstellt
und daß die Erfindung nicht auf die hierin aufgezeigten Ausführungsformen
beschränkt ist. Für den Fachmann wird offensichtlich sein, daß verschiedene
Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Bereich der beigefügten
Ansprüche zu verlassen.
ANHANG
Widerstände
Bezugsziffer Wert
-
148 51,1 KΩ
-
150 200 KΩ
-
152 25,5 KΩ
-
154 24,3 KΩ
-
156 200 KΩ
-
158 25,7 KΩ
-
162 82,5 KΩ
-
168 133 KΩ
-
170 100 KΩ
-
172 57 KΩ
-
178 49,9 KΩ
-
180 49,9 KΩ
-
182 34,8 KΩ
-
184 34,8 KΩ
-
188 80,6 KΩ
-
190 49,9 KΩ
-
192 30,8 KΩ
Kondensatoren
Bezugsziffer Wert
-
160 0,1 uF
-
164 0,1 uF