DE1239863B - Kreiselstabilisierte Plattform - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIc

Deutsche Kl,: 42 c-35/10

Nummer: 1239 863

Aktenzeichen: F 41474 Di b/42 c

Anmeldetag: 5. Dezember 1963

Aaslegetag: 3. Mai 1967

Anmelder:

Fluggerätewerk Bodensee G. m. b. H.,
Überlingen (Bodensee)

Als Erfinder benannt:

Dr. Eduard Fischel, Überlingen (Bodensee)

Die Erfindung betrifft eine kreiselstabilisierte Platt- Kreiselstabilisierte Plattform

form. Solche kreiselstabilisierten Plattformen haben

bekanntlich die Aufgabe, unabhängig von den Bewegungen eines Fahrzeuges, vornehmlich eines Flugkörpers, ein raumfestes Koordinatensystem festenlegen. Hierfür wird die Eigenschaft eines Kreisels mit zwei Freiheitsgraden ausgenutzt, auf eine Drehbewegung um eine zu semer Drallachse senkrechte erste Achse (Empfindlichkeitsachse) mit einem Drehmoment um eine zweite Achse (Präzessionsachse) zu

reagieren, die zu Drall- und Empfindlichkeitsachse ~

senkrecht liegt. Dieses Moment bewirkt eine Aus- 2

lenkung des Kreisels, welche durch einen Abgriff in

ein entsprechendes elektrisches Signal verwandelt einen Signalvorhalt zu erzeugen. Dadurch wird der wird. Das Signal beaufschlagt bei bekannten Platt- 15 elektrische Teil des Regelkreises recht kompliziert formen über Verstärker und sonstige, aus regeltech- und außerdem frequenzabhängig, was weitere Nachnischen Gründen vorgesehene Netzwerke einen Stütz- teile hat (vgl. den Aufsatz von E. M. Fischel, »Die motor, der eine Verdrehung der Plattform um eine Dämpfung von Kreiselgeräten als Regelproblem«, in Achse bewirkt, welche zu der Empfindlichkeitsachse »Regelungstechnik«, H. 3, 1962, S. 109 bis 114, oder des Kreisels parallel ist und der Bewegung entgegen- 20 den inhaltsgleichen Aufsatz »Gyro Damping« aus wirkt, die das Moment ausgelöst hatte. »Aerospace Engineering«, Mai 1961, S. 16/17 und

Bei bekannten Plattformen ist der Kreisel un- 75 bis 82).

mittelbar an der Plattform drehbar um die Präzessions- ' 2. Es tritt eine Beeinflussung des Kreisels ein, achse gelagert. Die Plattform ist üblicherweise wenn eine Bewegung der Plattform um die Empfindkardanisch im Fahrzeugkörper aufgehängt und trägt 25 lichkeits- und Kreiseldrallachse gleichzeitig und mit drei Kreisel, von welchen jeder eine Stabilisierung derselben Frequenz auftritt, was im folgenden erum eine der drei Kardanachsen bewirkt. Die Stütz- läutert wird. Wenn das Steuersignal für den Stützmotoren bewirken eine Drehung der Kardanrahmen motor in der bekannten Weise unmittelbar von einem gegeneinander bzw. gegen den Fahrzeugkörper und Abgriff abgenommen wird, der die Drehung des werden von den Kreiselabgrifien über Koordinaten- 30 Kreisels um seine Präzessionsachse mißt, dann setzt wandler gesteuert. Die Kreisel sind meist integrie- diese Art der Regelung voraus, daß bei einer Störung eine entsprechend große Auslenkung des Kreisels erfolgt. Bei einer solchen Auslenkung liegt der Drallvektor des Kreisels aber nicht mehr in seiner

rende Kreisel, die durch eine Dämpfung so gehemmt sind, daß ihre Auslenkungsgeschwindigkeit proportional dem Präzessionsmoment wird, deren Auslen

kung also ein Maß-für die Lageabweichung darstellt. 35 Ruhestellung, sondern er enthält auch eine Kompo-

Bei den bekannten Plattformen treten verschiedene Nachteile auf:

1. Die Kreiselplattform trägt die Kreiselplatte, und diese besitzt ein relativ großes Trägheitsmoment,

nente parallel zu der Empfindlichkeitsachse. Wenn nun gleichzeitig eine Bewegung der Plattform um eine andere Achse stattfindet, dann kann diese Bewegung mit der letzteren Komponente ein weiteres

was die Regelung erschwert. Jeder der Kreisel muß 40 Moment um die Präzessionsachse erzeugen, welches das gesamte Trägheitsmoment der Kreiselplatte und nicht durch eine Bewegung um die Empfindlichkeits-

der mitbewegten Kardanringe stabilisieren. Es läßt sich zeigen, daß Drall und Dämpfung des Kreisels in einem gewissen Größenverhältnis zum Trägheits-

moment der Kreiselplatte nebst der mitbewegten Kardanring« stehen müssen, um eine Stabilität des den Kreisel als Meßwertgeber und die Platte als Regelstrecke enthaltenden Regelkreises zu gewährleisten. Es ist außerdem erforderlich, die Phase des

achse bedingt ist und eine Drift des Kreisels zur Folge hat. Es läßt sich nämlich zeigen, daß solche Momente im Mittel stets in einer Richtung wirken, also sich nicht etwa im zeitlichen Mittel aufheben. Man bezeidhnet diese Erscheinung auch als »Gledchrichtereffekt« des Kreisels.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile bekannter kreiselstabilisierter

vom Kreiselabgriff gelieferten Steuersignals für die 50 Plattformen zu vermeiden und eine Plattform^ mit Stützmotoren durch ein zweistufiges Netzwerk mn weit geringerer Drift zu schaffen, bei welcher der weit mehr als 90° (häufig 140°) vorzudrehen, um elektrische Aufwand und gegebenenfalls die Anfor-

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derungen an den Drall des Kreisels vermindert wer- treten. Es tritt keine gegenseitige Beeinflussung der

den können, ohne daß die Stabilität des Regelkreises verschiedenen Achsen ein.

unzulässig darunter leidet, und die Stabilität von Es kann jetzt aber auch der Regelkreis, durch

Plattformen zu erhöhen. welchen die Stabilisierung der eigentlichen Kreisel-

Es ist eine kreiselstabilisierte Plattform bekannt, 5 platte erfolgt, wesentlich vereinfacht werden, weil

die nach Schulerpendetn ausgerichtet werden soll, nämlich dieser Kreis nicht mehr mit der Dynamik

welche von Kreiseln mit Hilfsrahmen gebildet wer- des Kreisels verkoppelt ist. Man benötigt in diesem

den. Zu diesem Zweck ist jeder Kreisel mit seiner Kreis nur noch ein einstufiges phasenkorrigierendes

Drallachse in einem Rahmen gelagert, der seinerseits Netzwerk, welches leichter zu bauen ist und einen

um eine zur Kreiseldrallachse senkrechte Achse io geringeren Verstärkungsgrad erfordert,

schwenkbar in dem Hilfsrahmen gelagert ist. Dabei Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den

ist der erstere Rahmen gegen Verdrehung relativ zu Zeichnungen dargestellt und im folgenden be-

dem Hilfsrahmen elastisch gefesselt. Der Hilfsrahmen schrieben.

trägt in der Verlängerung der Lagerachse des ersteren F i g. 1 zeigt zur .Veranschaulichung der Erfindung

Rahmens eine Masse. Er ist um eine zu der ge- 15 schematisch schaubildlich deren Anwendung bei

nannten Lagerachse senkrechte Achse seinerseits an einer einachsigen Plattform;

der Plattform gelagert. Durch geeignete Bemessung F i g. 2 zeigt schematisch schaubildlich eine nach wird dafür gesorgt, daß das so erhaltene, aus Kreisel der Erfindung aufgebaute Dreikreiselplattform, und Masse gebildete Pendel eine der Schulerperiode Zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfinentsprechende Schwingungsdauer hat. Zur Lösung des 20 dung ist in Fig. 1 eine einachsige Plattform 10 darvorstehend erörterten-Problems ist diese bekannte gestellt, die um eine Achse y-y stabilisiert ist. Zu Anordnung jedoch weder bestimmt noch geeignet. diesem Zweck ist ein Kreisel 12 vorgesehen, dessen

Ausgehend von einer solchen kreiselstabilisierten Drallachse 14 parallel zu der Koordinatenachse x-x

Plattform, die um wenigstens eine Achse stabilisiert liegt. Der Kreisel 12 ist mit seinem Gehäuse um die

ist, mit einem Kreisel, der in einem Hilfsrahmen um 25 zur Koordinatenachse z-z parallele Präzessionsachse

eine zu Drallachse und stabilisierter Achse senk- 16 drehbar in einem Hilfsrahmen 18 gelagert. Der

rechte Präzessionsachse drehbar gelagert ist, der Hilf srahmen 18 ist seinerseits gegenüber der Platt-

seinerseits an der Plattform um eine zur stabilisierten form 10 um eine Achse 20 (Empfindlichkeitsachse)

Achse parallele Achse drehbar gelagert ist, und mit schwenkbar gelagert, welche parallel zu der zu sta-

einem Stützmotor, der von einem die Drehbewegung 30 bilisierenden Achse y-y liegt.

zwischen Hilfsrahmen und Plattform abgreifenden Die Drehung des Kreisels um seine Präzessions-

ersten Abgriff steuerbar ist und die Plattform dem achse 16 gegenüber dem Rahmen 18 wird mittels

Hilfsrahmen nachführt, besteht die Erfindung darin, eines Abgriffs 22 abgegriffen, der hier schematisch

daß eine Bewegung des Kreisels um seine Prä- als Potentiometerabgriff dargestellt ist, den man aber

zessionsachse durch einen zweiten Abgriff abge- 35 praktisch als induktiven eisenlosen Stellungsabgriff

griffen wird, dessen Signal einen um die Huf srahmen- ausbilden wird. Der Abgriff 22 gibt ein Signal über

Lagerachse wirkenden Drehmomenterzeuger beauf- einen Verstärker 24 direkt auf einen Drehmoment-^

schlagt. erzeuger 26, welcher sich an der Plattform 10 ab-

Der Kreisel stabilisiert also zunächst nicht die stützt und ein Drehmoment auf den Rahmen 18 um gesamte Plattform, sondern nur seinen eigenen Hufs- 40 die Achse 20 erzeugt. Die Bewegung des Rahmens rahmen. Bei einer Bewegung der Plattform werden 18 gegenüber der Plattform 10 wird mittels eines relativ geringe Momente auf den Hilfsrahmen über- Abgriffs 28 abgegriffen. Das vom Abgriff 28 erhaltragen. Das sind nämlich praktisch nur die Reibungs- tene Signal beaufschlagt über ein geeignetes einmomente, die über die Lagerung des Hilfsrahmens stufiges Netzwerk 30 und einen Kraftverstärker 32 übertragen werden. Nur diese Störungen braucht der 45 einen Stützmotor 34, welcher eine Drehung der Kreisel zu kompensieren, indem der Drehmoment- Plattform 10 um die Achse y-y bewirkt, erzeuger entsprechende Gegenmomente hervorruft. Die Wirkungsweise der geschilderten Anordnung Das ist wesentlich einfacher als bei den vorbekannten ist folgende: Wenn das Fahrzeug (Flugkörper), auf Plattformstabilisierungen, weil einmal die Störgrößen welchem die Plattform bei 36 montiert ist, eine geringer sind und zum anderen auch die Regelstrecke 50 Drehbewegung um die y-y-Achse ausführt, dann günstigere Eigenschaften besitzt. Es braucht nicht dreht sich die Plattform zunächst mit. Über die die gesamte Plattform mit ihrem relativ großen Trag- Lagerreibung bei 38 wird auch der Rahmen 18 etwas heitsmoment stabilisiert zu werden, sondern nur der mitgenommen. Auf den Rahmen 18 wirkt ein Moverhältnismäßig leichte Hilfsrahmen, dessen Trag- ment um die Achse 20. Die Drehung um die Achse heitsmoment etwa einhundertmal kleiner ist als das 55 20 hat ein Präzessionsmoment um die Achse 16 zur der Plattform. Dadurch ergibt sich auch eine wesent- Folge. Dem Präzessionsmoment, welches bekanntlich liehe Vereinfachung der Elektronik, weil die Anfor- der Winkelgeschwindigkeit um die Achse 20 proporderungen an Signalvorhalt od. dgl. geringer bzw. tional ist, wirkt die geschwindigkeitsproportionale nicht mehr notwendig sind. Dämpfung. eines Dämpfers 40 entgegen, so daß die

Der Kreisel braucht aus den geschilderten Grün- 60 Auslenkgeschwindigkeit des Kreisels 12 dem Prär den keinen großen Ausschlag zu machen. Die Drall- Zessionsmoment proportional wird. Die Kreiselausachse bleibt praktisch in ihrer Ruhelage. Die Platt- lenkung ist also proportional der Auslenkung des form kann sich unter dem raumfest bleibenden Hilfs- Rahmens 18 gegenüber seiner raumfesten Ausgangsrahmen um einen endlichen Winkel wegdrehen und lage. Der Abgriff 22 gibt ein Signal über den Verder zweite Abgriff ein entsprechendes Steuersignal 65 stärker 24 auf den Drehmomenterzeuger 26, welcher liefern, ohne daß dazu eine Kreiselauslenkung er- den Rahmen 18 in seine Ausgangslage zurückzuforderlich wäre. Infolgedessen kann auch keine drehen sucht und dem Reibungsmoment in den Kreiseldrift durch den »Gleichrichtereffekt« auf- Lagern 38 entgegenwirkt. Auf diese Weise wird also

Claims (1)

1. der Kreisel 12 mit dem Rahmen 18 hinsichtlich der Achse y-y raumfest gehalten.

   Die Plattform 10 wird nun bei einer Bewegung des Fahrzeugs um die y-y-Achse zunächst unter dem raumfesten Rahmen 18 weggedreht. Es erfolgt eine Relativbewegung zwischen Rahmen 18 und Plattform 10, so daß der Abgriff 28 ein Fehlersignal liefert. Dieses Signal wird über ein einstufiges Vorhaltnetzwerk 30 und den Kraftverstärker auf den Stützmotor 34 gegeben, welcher die Plattform 10 gegenüber dem Fahrzeugkörper verdreht, so daß die Plattform eine feste Lage gegenüber dem Hilfsrahmen 18 und damit im Raum einnimmt.

   Durch die Aufteilung der Regelung in eine Stabilisierung eines Hilfsrahmens 18 und eine Nachführung und Ausrichtung der Plattform 10 nach dem Hilfsrahmen wird aus den geschilderten Gründen die Regelung vereinfacht und verbessert.

   F i g. 2 zeigt eine nach der Erfindung ausgebildete Dreikreiselplattform.

   Die Plattform 10' ist in zwei Kardanrahmen 66 und 68 gelagert, und zwar ist die Kreiselplatte 10' in dem Rahmen 66 um eine Achse A-A drehbar gelagert. Der Rahmen 66 ist im Rahmen 68 um die Achse B-B senkrecht zu A-A drehbar gelagert, und der Rahmen 68 ist um eine Achse C-C senkrecht zu B-B im Fahrzeugrahmen gelagert.

   Die Kardanrahmen sind durch Stützmotor 34', 34" und 34"' gegeneinander verdrehbar, um bei einer Bewegung des Fahrzeugkörpers 36' die Lage der Plattform im Raum unverändert zu halten.

   Auf der Kreiselplatte sind drei Kreiselanordnungen 70, 72, 74 der in F i g. 1 schon beschriebenen Art angeordnet, von denen jede die Stabilisierung um eine der raumfesten Achsen x-x, y-y, z-z durch Steuerung der Stützmotoren bewirkt. Zu diesem Zweck steuert die Kreiselanordnung 72 den Stützmotor 34'" (Azimut). Die Kreiselanordnungen 70 und 74 steuern über einen Koordinatenwandler 76 die Stützmotoren 34' und 34" (Nick- und Rollmotor). Der Koordinatenwandler 76 erhält die Signale von beiden Kreiselanordnungen 70 und 74 und liefert Signale an die Motoren 34' und 34", welche vom Azimut abhängige lineare Funktionen der beiden Kreiselsignale sind. Je nach der Lage des Fahrzeuges im Azimut können ja Nick- und Rollmotor ihre Funktion vertauschen, und im allgemeinen Fall fallen x-x- und y-y-Achse nicht mit der B-B- bzw. C-C-Achse des Kardanrahmens zusammen.

   Die Ausbildung der Kreiselanordnungen 70, 72, im einzelnen stimmt mit der von Fig. 1 überein und braucht hier nicht noch einmal beschrieben zu werden. Wesentlich ist, daß bei Bewegungen der Plattform 10' um die drei Achsen x-x, y-y, z-z keine gegenseitige Beeinflussung der Regelkreise eintritt, wie eingangs schon geschildert wurde.

   Patentanspruch:

   Kreiselstabilisierte Plattform, die um wenigstens eine Achse stabilisiert ist, mit einem Kreisel, der in einem Hilfsrahmen um eine zu Drallachse und stabilisierter Achse senkrechte Präzessionsachse drehbar gelagert ist, der seinerseits an der Plattform um eine zur stabilisierten Achse parallele Achse drehbar gelagert ist und mit einem Stützmotor, der von einem die Drehbewegung zwischen Hilfsrahmen und Plattform abgreifenden ersten Abgriff steuerbar ist und die Plattform dem Hilfsrahmen nachführt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegung des Kreisels um seine Präzessionsachse durch einen zweiten Abgriff abgegriffen wird, dessen Signal einen um die Hilfsrahmen-Lagerachse wirkenden Drehmomenterzeuger beaufschlagt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   USA.-Patentschrift Nr. 2 893 248.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   709 578/67 4.67 © Bundesdruckerei Berlin