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Die
Erfindung betrifft ein System für
die Stabilisierung eines Objekts mit Referenz zu einer sich bewegenden
Plattform, umfassend:
- – eine Stabilisierungseinrichtung,
versehen mit Servomotoren und einer Servosteuereinheit;
- – eine
Plattform, mit einer Seite der zu stabilisierenden Stabilisierungseinrichtung
verbunden;
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere für die Stabilisierung von Sensoren
auf einem Marineschiff. Ein System dieser Art ist unter anderem
aus der Patentschrift US-A 5,573,218 bekannt. Die in der vorliegenden
Patentschrift beschriebene Stabilisierungseinrichtung umfaßt einen
Stapel von keilförmigen
Elementen, wodurch jedes Element mit Referenz auf das darunterliegende
Element gedreht werden kann. Die Orientierung des Objekts wird somit
durch die relative Drehung von Teilelementen realisiert, die zueinander
um nicht-parallele Wellen gedreht werden können. Die Servosteuereinheit
stellt sicher, daß das
Objekt durch eine Drehung der individuellen Elemente eine gewünschte, üblicherweise
horizontale Position einnimmt und beibehält. Bei der in dieser Patentschrift
beschriebenen Ausführungsform
wird die Position des Objekts mit Referenz zu einer Teilstruktur
auf der Basis der Geometrie der Stabilisierungseinrichtung und der
Relativwinkelposition jedes Elements mit Referenz auf sein darunterliegendes
Element berechnet. Diese Relativwinkelpositionen werden mit Hilfe
von Codierern bestimmt. Ein Nachteil der Stabilisierungseinrichtung
besteht darin, daß Schwingungen
aufgrund eines dem Stabilisierungssystem eigenen bestimmten Elastizitätsmaßes Stabilisierungsfehler
verursachen können.
Dies kann insbesondere dann negative Folgen haben, wenn die Stabilisierungseinrichtung
zum Stabilisieren eines optischen Scanners verwendet werden soll,
der einen hohen Grad an Stabilisierungsgenauigkeit erfordert.
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Eine
mögliche
Lösung
für dieses
Problem kann man aus der Patentschrift US-A 3,358,285 erhalten.
Die darin beschriebene Stabilisierungsplattform ist jeweils mit
Kreiseln oder Sensoren versehen, um ihre Position bezüglich eines
Inertialkoordinatensystems zu bestimmen. Diese Lösung ist jedoch mit dem Nachteil
verbunden, daß winkelanzeigende Kreisel
und Sensoren relativ teuer sind, insbesondere wenn ein hoher Genauigkeitsgrad
gefordert wird.
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Das
Patent
US 4,035,805 schlägt vor,
eine Antenne bezüglich
der Nick- und Rollachse trotz des Nickens und Rollens des Schiffs
stabil zu halten, wobei mit der Servosteuereinheit einer Stabilisierungseinrichtung
verbundene Nick- und Rollsensoren dazu verwendet werden, Nick- und
Rollservomotoren anzusteuern. Diese Lösung berücksichtigt somit das Gieren
nicht. Außerdem
sind entweder die Nick- und Rollsensoren Kreisel, die hochgenaue
Maße für hohe Kosten
bereitstellen, oder die Nick- und Rollsensoren sind billigere Sensoren,
die weniger genaue Maße bereitstellen.
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Dabei
kann dann keinerlei Vorzug aus der Tatsache hergeleitet werden,
daß Marineschiffe üblicherweise
mit einem zentralen Kreiselsystem ausgestattet sind, mit dem die
Winkelpositionen des Schiffs bezüglich
eines Inertialkoordinatensystems bestimmt werden.
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Das
System gemäß der Erfindung
nach Anspruch 1 hat als seine Aufgabe die Bereitstellung einer Lösung für diese
Probleme. Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche
2 bis 6.
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Ein
Marineschiff enthält üblicherweise
ein System von zentral angeordneten Winkelpositionskreiselcodierern,
mit denen die Winkel des Schiffs bezüglich eines nord- horizontalen Koordinatensystems
gemessen werden. Sensoren, die Stabilität erfordern, sind in einer
bestimmten Entfernung zu den Winkelpositionscodierern positioniert.
Verformungen und Schwingungen des Schiffs können bewirken, daß die gemessene
Winkelposition und die tatsächliche
Winkelposition beim Sensor abweichen. Eine Lösung für dieses Problem erhält man durch
Kombinieren der Winkelgeschwindigkeitssignale mit den Winkelpositionsmessungen.
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Dies
liefert zwei verschiedene Meßinstrumente
zum Realisieren der Stabilisierung, wobei jedes seine eigenen spezifischen
Vorteile und Nachteile aufweist. In der eigentlichen Praxis zeigt
es sich, daß eines
der beiden Instrumente in einem bestimmten Frequenzbereich eine
präzisere
Messung vornimmt als in einem anderen Frequenzbereich.
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Eine
günstige
Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Berechnungsmittel zum Berechnen der Steuersignale so ausgelegt sind,
daß sie eine
frequenzabhängige
Gewichtung der Winkelgeschwindigkeitssignale und der Winkelpositionssignale
durchführen.
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Die
Winkelgeschwindigkeitsindikatoren werden bevorzugt für die Stabilisierung
in einem hohen Frequenzband verwendet, während die Winkelpositionsindikatoren
sich für
eine Stabilisierung in einem niedrigen Frequenzband eignen. Somit
werden Schiffsvibrationen nicht auf die Stabilisierungplattform übertragen,
wohingegen hochfrequente Störungen
(abrupte Bewegungen) bis zu einem ausreichenden Ausmaß unterdrückt werden.
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Eine
weitere günstige
Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Berechnungsmittel so ausgelegt sind, daß sie die frequenzabhängige Gewichtung
derart durchführen,
daß die
Steuersignale für
Frequenzen unter einer bestimmten Frequenz wo im wesentlichen durch
die Winkelpositionsignale und die Steuersignale für höhere Frequenzen im
wesentlichen durch die Winkelgeschwindigkeitssignale bestimmt werden.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren eingehender
beschrieben. Es zeigen:
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1A und 1B eine
Ausführungsform des
Systems gemäß der Erfindung,
das eine Stabilisierungseinrichtung und eine Servosteuereinheit
umfaßt;
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2 eine
Ausführungsform
einer herkömmlichen
Servosteuereinheit;
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3 eine
Ausführungsform
einer Servosteuereinheit zum Einsatz in dem System gemäß der Erfindung;
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4 eine
weitere ausführliche
Darstellung einer Ausführungsform
der Servosteuereinheit gemäß der Erfindung.
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Die 1A und 1B sind
schematische Darstellungen einer Ausführungsform gemäß der Erfindung
als Draufsicht bzw. Seitenansicht, die eine Stabilisierungseinrichtung 1 und
eine Servosteuereinheit 2 zum Steuern der Stabilisierungseinrichtung 1 umfaßt. Die
Stabilisierungseinrichtung 1 umfaßt eine jochförmige Teilstruktur 3,
die mit einem hier nicht gezeigten Schiff verbunden ist. Die Navigationsrichtung
ist durch einen Pfeil R angedeutet. Die Stabilisierungseinrichtung 1 umfaßt zusätzlich ein
erstes bewegliches jochförmige
Element 4, an das ein zweites bewegliches jochförmiges Element 5 gekoppelt ist;
beide Elemente können
um zueinander nicht-parallele Wellen 6 und 7 gedreht
werden. Eine Stabilisierungsplattform 8 ist mit dem zweiten
Element 5 verbunden, das die zu stabilisierende Seite der
Stabilisierungseinrichtung umfaßt.
Ein nicht gezeigter Suchsensor kann an der Stabilisierungsplattform 8 angebracht
sein. Die Nickbewegungen des Schiffs werden nun durch die Drehung
des Elements 4 um die Welle 6 kompensiert, Rollbewegungen
werden durch eine Drehung des Elements 5 um die Welle 7 kompensiert.
Dazu sind beide Wellen 6 und 7 mit einem Servomotor
und einem Winkelsensor versehen. Der Übersichtlichkeit halber sind
in Relation zu Welle 6 nur der Servomotor 9, der
möglicherweise
mit einer Zahnradübertragung 10 versehen
ist, und der Winkelsensor 11 dargestellt. Die Servomotoren
werden von der Servosteuereinheit 2 gesteuert, die an die Winkelcodierer
und ein zentral angeordnetes System von Kreiseln 12 zum
Codieren des Roll-, Nick- und Gierwinkels bezüglich eines nord-horizontalen
Koordinatensystems angeschlossen ist. In der Figur ist die Verbindung
mit dem Servomotor 9 durch eine Linie 13 und die
Verbindung mit dem Winkelsensor 11 mit einer Linie 14 angedeutet.
Die Verbindung mit dem Kreiselsystem 12 ist durch eine
Linie 15 angedeutet.
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Das
System von Kreiseln 12 ist jedoch nicht in der Lage, etwaige
Verformungen des Schiffs und der Stabilisierungseinrichtung zu berücksichtigen. Dazu
ist die Stabilisierungsplattform gemäß der Erfindung mit Codierern 16 und 17 ausgestattet.
Diese Codierer messen jeweils eine absolute Nick- und Rollwinkelgeschwindigkeit
der Stabilisierungsplattform bezüglich
eines Inertialkoordinatensystems, und sie sind gleichermaßen an die
Servosteuereinheit 2 angeschlossen. Bei dem Beispiel der
Ausführungsform
umfassen die Winkelgeschwindigkeitscodierer 16 und 17 kommerziell
erhältliche
Kreiselchips, die kompakt, preiswert und relativ leicht anzubringen
sind. Herkömmliche
Ratenkreiselsysteme eignen sich jedoch ebenfalls. Die Verbindung
des Kreiselchips 16 mit der Servosteuereinheit 2 ist
durch eine Linie 18 angedeutet.
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1B zeigt
die Stabilisierungseinrichtung in einer Seitenansicht. Das erste
Element 4 bildet einen kleinen Winkel y mit der Teilstruktur 3.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines aus der Steuertechnologie bekannten herkömmlichen
Systems. Die Stabilisierungseinrichtung ist als eine Blackbox P
dargestellt, die eine Übertragungsfunktion
im Laplace-Bereich
darstellt, die durch die Stabilisierungseinrichtung realisiert wird.
Die Stabilisierungseinrichtung wird von der Servosteuereinheit 19 gesteuert.
Um den Stand der Technik zu veranschaulichen, sind nur die Übertragungsfunktion
zwischen der an die Servomotoren angelegten Steuerspannung, mit
dem Buchstaben u bezeichnet, die direkt zu einer Steuerkraft führt, und
die resultierende Winkelposition der Stabilisierungsplattform, durch
den Buchstaben y angegeben, relevant. In diesem Kontext wird nur
das Nicken berücksichtigt,
da eine Kompensation für
das Rollen auf analoge Weise bewirkt werden kann. Im Betriebszustand
bestimmt die Servosteuereinheit 19 einen Servosteuerfehler,
angegeben durch Bezugsbuchstaben e, der die Differenz ist zwischen
einem durch ys angegebenen Sollwert und y.
Die Servosteuereinheit 19 enthält außerdem einen Regler, angegeben
durch einen Bezugsbuchstaben C, der auf der Basis des Servosteuerfehlers
e den Steuerstrom u derart berechnet, daß der Servosteuerfehler e trotz
möglicher
Störungen
minimal bleibt. Der durch Ψg angegebene Nickwinkel des Schiffs, gemessen
von dem System von Kreiseln 12, wird ebenfalls an die Servosteuereinheit 19 angelegt.
Der negative Wert dieses Winkels wird in dem durch den Bezugsbuchstaben
N angegebenen Block aufgenommen. Um die Stabilisierungsplattform
in einer waagerechten Position zu halten, wird der Kehrwert der
von dem System von Kreiseln 12 gemessenen Winkel des Schiffs,
d.h. der gewünschte
Nickwinkel der Stabilisierungsplattform, als Sollwert ys eingegeben.
Dies impliziert, daß im
Betriebszustand der gemessene Nickwinkel y dem Kehrwert des gemessenen
Nickwinkels des Schiffs so eng wie möglich folgt.
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Wie
bereits festgestellt, weist dieses bekannte Verfahren den Nachteil
auf, daß die
Kreisel 12 Verformungen der Struktur des Schiffs keine
Rechnung tragen, und auch die mit der Stabilisierungseinrichtung
verbundenen Winkelcodierer tragen Verformungen der Stabilisierungseinrichtung
selbst keine Rechnung.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird gezeigt, wie die Servosteuereinheit 2 gemäß der Erfindung
so ausgelegt ist, daß sich
die Nachteile zumindest hinsichtlich des Rollwinkels erübrigen.
Zur Kompensation des Rollens kann die Servosteuereinheit wieder auf
analoge Weise angewendet werden. Gemäß der Erfindung werden die
durch φ . angegebenen gemessenen Absolutwinkelgeschwindigkeitssignale
der in 1A und 1B gezeigten
Stabilisierungsplattform 8 zusätzlich zu den Meßsignalen Ψg und y ebenfalls an die Servosteuereinheit 2 angelegt.
In einer Kombinationseinheit 20, die in die Servosteuereinheit 2 integriert
ist, werden diese Signale kombiniert, um einen Sollwert ys zu erzeugen. In der Servosteuereinheit 2 wird
der Servosteuerfehler e wieder als die Differenz zwischen dem Sollwert
ys und dem gemessenen Rollwinkel y um die
in 1A und 1B gezeigte
Welle 6 herum bestimmt. Der Servosteuerfehler e wird an
die Reglereinheit C angelegt, die einen Steuerstrom u für den Servomotor 9 bestimmt.
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An
Hand einer Veranschaulichung zeigt die FIG. auch die gemessenen
Absolutwinkelgeschwindigkeitssignale φ ., die verursacht werden durch
eine Summierung der durch Ψs angegebenen absoluten Winkelgeschwindigkeit
der Teilstruktur 3 und der Relativwinkelgeschwindigkeit y . der
Stabilisierungsplattform 8 bezüglich der Teilstruktur 3.
Die Übertragungsfunktion
zwischen der Steuerkraft u des Servomotors 9 und der Relativwinkelgeschwindigkeit y . wird
durch die Blackbox Pv dargestellt.
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4 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Kombinationseinheit 20. Die Kombinationseinheit 20 enthält ein Tiefpaßfilter 21 zum
Filtern des gemessenen absoluten Nickwinkels des Schiffs, um gefilterte
absolute Nickwinkel zu erhalten. Falls das zu stabilisierende Objekt
ein Suchsensor ist, wird die Bandbreite ω0 des
Filters bevorzugt so ausgewählt, daß sie der
Drehfrequenz des Sensors entspricht, damit im Fall von kurzaufeinanderfolgenden
Scans der Sensor im wesentlichen in der gleichen Richtung ausgerichtet
bleibt. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn der Suchsensor
ein mit einem Pixelarray ausgestatteter elektrooptischer Sensor
ist. Wenn dies der Fall ist, wird die Pixelverarbeitung erheblich vereinfacht,
da bei jedem Scan ein Pixel im wesentlichen den gleichen Höhenwinkel
wie in den vorausgegangenen Scans darstellt. Die Kombinationseinheit enthält weiterhin
einen Integrator 22 zum Integrieren der absoluten Nickwinkelgeschwindigkeitssignale
zu absoluten Nickwinkelpositionssignalen der Stabilisierungsplattform.
Von diesem Wert wird danach der gemessene relative Nickwinkel y
der Stabilisierungsplattform bezüglich
der Teilstruktur subtrahiert, um die absoluten Nickwinkelsignale Ψs der Teilstruktur zu erhalten. Diese Signale
werden dann durch ein Hochpaßfilter 23 geschickt,
das zu dem Tiefpaßfilter 21 zumindest
im wesentlichen komplementär
ist, damit gefilterte absolute Nickwinkelsignale Ψs der Teilstruktur 3 erhalten werden.
Der Kehrwert dieser Signale wird dann zu dem Kehrwert der gefilterten
absoluten Nickwinkel des Schiffs addiert. Somit wird auf der Basis einer
frequenzabhängigen
Gewichtung von von den Kreiseln des Schiffs vorgenommenen Messungen und
von den Absolutwinkelgeschwindigkeitscodierern vorgenommenen Messungen
ein Sollwert erzeugt. Bei Anwendung der komplementären Filter bedeutet
dies, daß für hochfrequente
Störungen,
d.h. abrupte Bewegungen, der Sollwert y2 im
wesentlichen an Hand von Messungen von den Absolutwinkelgeschwindigkeitscodierern 16 und 17 und
für niederfrequente
Störungen,
d.h. allmähliche
Bewegungen, an Hand von Messungen vom Kreiselsystem 12 des
Schiffs bestimmt wird.
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Das
obige kann unter Bezugnahme auf aus der Steuertechnologie bekannten
Formeln näher
erläutert
werden. In dieser Hinsicht werden Symbole verwendet, die auf dem
Gebiet der Steuertechnologie wohlbekannte Laplacesche Transformationsvariablen
darstellen.
- s:
- Laplace-Variable
- Ψg:
- der mit Hilfe der
Kreisel des Schiffs gemessene Nickwinkel
- φ .:
- die mit Hilfe des
Kreiselchips gemessene Nickwinkelgeschwindigkeit der Stabilisierungsplattform;
- y:
- die gemessene Winkeldrehung
des ersten Elements 4 um die Nickachse 6
- H(s):
- eine Übertragungsfunktion
des Tiefpaßfilters
im Laplaceschen Bereich, abhängig von
der Laplace-Variablen s, mit der Charakteristik H(0) = 1 und H(∞) = 0
- 1-H(s):
- Übertragungsfunktion des Filters,
die H(s) komplementär
ist
- ys:
- erhaltener Sollwert.
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Es
stellt sich nun heraus, daß ys gleich ist: ys = –{Ψg·H(s)
+ Ψs·(1 – H(s)}mit.
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Für H(s) wird
bevorzugt ein Filter zweiter Ordnung verwendet mit der Übertragungsfunktion:
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Es
sind in dieser Formel:
- β:
- ein Dämpfungsfaktor,
bevorzugt gegen 1;
- ω0:
- die ungedämpfte Eigenfrequenz,
bevorzugt der Drehfrequenz eines zu stabilisierenden Sensors angepaßt.
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Auf
der Basis mathematischer Regeln kann gezeigt werden, daß der wie
oben beschrieben erhaltene erzeugte Sollwert einen präziseren
Wert der Absolutposition der Teilstruktur liefert. Durch eine Durchbiegung
der Struktur des Schiffs verursachte Fehler hochfrequenter Art werden
effektiv ausgefiltert, während
bei Abwesenheit von Fehlerquellen der Sollwert die Absolutposition
der Teilstruktur für
alle Frequenzen ohne jegliche Phasen- oder Amplitudenfehler genau
darstellt.
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Es
versteht sich natürlich,
daß bei
der Anwendung von aus der Steuertechnologie bekannten Prinzipien
eine gleiche Funktionalität
durch Umordnung der im Diagramm gezeigten Blöcke erhalten werden kann. Auf
der Basis der Designtechniken hinsichtlich Kalman-Filter ist es
möglich,
ein Kalman-Filter herzuleiten, das die Meßsignale kombiniert, damit die
frequenzabhängige
Gewichtung erhalten wird. Wenn Rauschspektren der Störungen bekannt
sind, führt
dies zu einem Filter, der einen noch genaueren Sollwert erzeugen
kann.
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Die
obigen Techniken gemäß der Erfindung können auf
analoge Weise auf andere Arten von Stabilisierungsplattformen angewendet
werden, wie beispielsweise in US-A 5,573,218 beschrieben.
