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DE202007005801U1 - Device for the active horizontal stabilization of carrier systems of optical or radio devices - Google Patents

Device for the active horizontal stabilization of carrier systems of optical or radio devices Download PDF

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Abstract

Vorrichtung mit einem aktiv einstellbaren, horizontal stabilisierten Träger für optische oder funktechnische Gerätesysteme auf einem kardanischen Ringsystem, bestehend aus einem Kardaninnenring, welcher in einem dazu konzentrisch angeordneten Kardanaußenring drehbeweglich aufgehängt ist, wobei der Kardanaußenring wiederum im Gehäuse der Vorrichtung drehbeweglich um eine Achse senkrecht zur Achse des Kardaninnenringes aufgehängt ist, und bei dem Azimutverstellungen des Kardaninnenringes und des Kardanaunenringes jeweils über eine von zwei Motor-Getriebeeinheiten als Antriebselemente erfolgen, die direkt mit den Kippachsen der kardanischen Aufhängung mechanisch gekoppelt sind.contraption with an actively adjustable, horizontally stabilized support for optical or radio equipment systems on a gimbal ring system consisting of a gimbal ring, which rotatably in a concentrically arranged gimbal outer ring suspended is, with the gimbal outer ring in turn in the case the device rotatable about an axis perpendicular to the axis the Kardaninnenringes hung is, and in the azimuth adjustments of the gimbal ring and the Kardanaunenringes each over a of two engine-gear units be done as drive elements that directly with the tilt axes of Cardan suspension mechanically coupled.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit direkt angetriebenen Kippachsen zur aktiven horizontalen Stabilisierung von Trägersystemen, welche vor allem für optische und funktechnische Geräte Anwendung finden. Sie werden in bewegten Fahrzeugen eingesetzt, um eine von dessen Eigenbewegungen entkoppelte stabile horizontale Lage für die Trägerplattformen der genannten Geräte zu gewährleisten. Hierzu gehören beispielsweise auch in Flugzeugen montierte Bildmesskammern oder Antennensysteme auf Fahrzeugen für die Funkübertragungstechnik. Trotz dauernder Lageänderungen infolge von Fahrzeugbewegungen, die ein Kippen oder Drehbewegungen des Aufstellungsortes der Geräte verursachen können, ist deren Positionierung absolut stabil zu halten.The The invention relates to a device with directly driven tilting axes for the active horizontal stabilization of carrier systems, which mainly for optical and radio equipment Find application. They are used in moving vehicles, around a stable horizontal decoupled from its proper movements Location for the vehicle platforms said devices to ensure. These include For example, in aircraft mounted image measuring chambers or Antenna systems on vehicles for the radio transmission technology. Despite permanent changes in position as a result of vehicle movements involving tilting or turning the site of the devices can cause their positioning is absolutely stable.

Bekannt sind Vorrichtungen mit einer kardanischen Aufstellung der Geräte. Hierzu benutzt man häufig Geräteplattformen, die kardanisch aufgehängt sind. Dadurch wird es möglich, trotz der Bewegungen des Aufstellungsplatzes im Fahrzeug, die dort angeordneten Instrumente in der vorgesehenen und zumeist horizontalen Aufstellung zu halten. Bekannte kardanische Systeme in derartigen Vorrichtungen, welche oftmals – wie auch in DE 3516805 C1 , DE 4405644 A1 oder DE 69315102 T2 beschrieben – durch von Gyroskopen gesteuerte Antriebssysteme in ihrer Stabilisierungsbewegung unterstützt werden, besitzen jedoch vielfach keine ausreichende Stabilisierungsgenauigkeit, u.a. infolge der Trägheit des Gesamtsystems oder wegen der geringen Steifigkeit des Antrieb- bzw. Getriebesys tems. Sie erfordern häufig auch zu große Geräteabmessungen. Bekannt sind ferner Geräteplattformen mit motorischer Horizontierung wie sie z.B. in EP 0504930 vorgeschlagen werden und bei denen die Plattform über von den Motoren angetriebene Spindeln eingestellt wird. Von Nachteil dabei ist, dass deren Verstellung zu langsam und zumeist auch nicht ausreichend exakt erfolgt. Für ein dynamisches Arbeiten sind deshalb solche mechanischen Systeme nur bedingt geeignet.Devices are known with a gimbal installation of the devices. For this one often uses device platforms that are gimbaled. This makes it possible, despite the movements of the installation site in the vehicle to keep the instruments arranged there in the intended and mostly horizontal position. Known gimbal systems in such devices, which often - as well as in DE 3516805 C1 . DE 4405644 A1 or DE 69315102 T2 - supported by gyroscope-controlled drive systems in their stabilizing movement, but often do not have sufficient stabilization accuracy, among other things due to the inertia of the entire system or because of the low rigidity of the drive or Getriebesys system. They often also require large device dimensions. Device platforms are also known with motorized leveling as in eg EP 0504930 be proposed and in which the platform is set by driven by the motors spindles. The disadvantage of this is that their adjustment is too slow and usually not sufficiently accurate. For dynamic work, therefore, such mechanical systems are only partially suitable.

Eine weitere bekannte Anordnung gemäß DD 254079 beschreibt eine Einrichtung mit einer stabilisierten Plattform für Luftbildmesskammern, die auf mehreren Auflagepunkten ruht und mindestens eine Kippachse aufweist, wobei die Auflagepunkte mit Kolben hydraulischer Zylinder verbunden sind. Die Zylinder stehen miteinander in hydraulischer Verbindung, wobei im Hydraulikkreis eine durch einen elektronischen Regelkreis gesteuerte Pumpe vorgesehen ist. Mit einer derartigen Anordnung sind bei ausreichender Schwingungsunempfindlichkeit und Steifigkeit des Systems vor allem auch größere Gerätemassen schnell und einigermaßen exakt positionierbar. Problematisch bei dieser Lösung sind jedoch Störanfälligkeiten infolge von möglichen Undichtheiten des hydraulischen Systems oder dem Ausfall der Pumpe. Ungünstig ist weiterhin der mit der Fertigung der Vorrichtung verbundene erhebliche Kostenaufwand.Another known arrangement according to DD 254079 describes a device with a stabilized platform for Luftbildmesskammern resting on several support points and having at least one tilt axis, wherein the support points are connected to pistons of hydraulic cylinders. The cylinders are in hydraulic communication with each other, wherein in the hydraulic circuit controlled by an electronic control circuit pump is provided. With such an arrangement, with sufficient vibration insensitivity and rigidity of the system, above all, even larger device masses can be positioned quickly and to some extent exactly. The problem with this solution, however, are susceptibility due to possible leaks of the hydraulic system or the failure of the pump. Unfavorable is still associated with the production of the device considerable cost.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur aktiven Horizontalstabilisierung eines Trägers, beispielsweise für optische Geräte, zu schaffen, die eine kardanische Aufhängung benutzt und einen vergleichsweise einfachen mechanischen Aufbau aufweist. Diese Vorrichtung zur hochpräzisen horizontalen Stabilisierung der Geräteplattform soll zugleich ein hochdynamisches Arbeiten bei der Gerätebedienung erlauben sowie eine exakte, spielfreie Positionierung gewährleisten. Auch soll sich der Fertigungsaufwand zur Herstellung einer solchen Vorrichtung in vertretbaren Grenzen bewegen.The The object of the invention is therefore to provide a device for active Horizontal stabilization of a carrier, for example for optical Equipment, which uses a gimbal and a comparatively has a simple mechanical structure. This device for high-precision horizontal Stabilization of the device platform At the same time, a highly dynamic work is to be carried out during device operation allow and ensure an exact, backlash-free positioning. Also, the manufacturing cost for the production of such Move the device within acceptable limits.

Die erfindungsgemäße Aufgabe löst nach den Merkmalen des Hauptanspruches eine Vorrichtung mit einem aktiv einstellbaren, horizontal stabilisierten Träger für Gerätesysteme. Sie verwendet hierfür ein kardanisches Ringsystem mit einem Kardaninnenring, welcher in einem dazu konzentrisch angeordneten Kardanaußenring drehbeweglich aufgehängt ist, wobei der Kardanaußenring wiederum im Gehäuse der Vorrichtung drehbeweglich um eine Achse, senkrecht zur Drehachse des Kardaninnenringes, aufgehängt ist, und bei dem Azimutverstellungen der Kardanringe jeweils über eine von zwei zugehörigen Motor-Getriebeeinheiten als Antriebselemente erfolgen, die direkt mit den Kippachsen der kardanischen Aufhängungen mechanisch gekoppelt sind.The inventive task solve the Features of the main claim, a device with an actively adjustable, horizontally stabilized carrier for device systems. She uses this a gimbal ring system with a gimbal ring, which in a concentric arranged Kardanaußenring is suspended rotatably, the gimbal outer ring again in the housing the device rotatable about an axis, perpendicular to the axis of rotation of the gimbal ring, hung up and in the azimuth adjustments of the gimbals each have one of two associated Motor-gear units as drive elements, which are directly connected to the tilting axes of the gimbal suspensions mechanically coupled.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.Further Embodiments of the invention are the subject of several subclaims.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt die direkte Übertragung der durch einen Sollwert definierten Stellbewegung in die Halterung der zu stabilisierenden optischen elektronischen Geräteeinheiten unter Verzicht auf weitere mechanische oder elektrische Übertragungsglieder. Durch die Verwendung von Präzisionsgetrieben lässt sich, zusammen mit dem Einsatz von Hochleistungsmotoren, das dynamische Arbeiten bei den Stellbewegungen erheblich verbessern und zugleich eine hohe Stabilisierungs- bzw. Einstellungsgenauigkeit erreichen. Außerdem verbindet sich mit dem Einsatz von kompakten, kleinräumigen und hochpräzisen Antriebsbaugruppen für die Kippbewegungen der Vorrichtung eine höchst vorteilhafte Gewichts- und Platzeinsparung.With the device according to the invention manages the direct transfer the defined by a target value adjusting movement in the holder the optical electronic device units to be stabilized waiving further mechanical or electrical transmission elements. Through the use of precision gears let yourself, along with the use of high-performance engines, the dynamic Improve work on the positioning movements and at the same time achieve a high stabilization or setting accuracy. Furthermore combines with the use of compact, small-scale and high-precision Drive modules for the tilting movements of the device provide a most advantageous weighting and space saving.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und zwei Abbildungen näher erläutert werden.The Invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment and two figures.

Die 1 zeigt chematisch das Wirkungsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur horizontalen Gerätestabilisie rung und die 2 in verkleinertem Maßstab eine perspektivische Seitenansicht dieser Vorrichtung bei Weglassung der Trägerplatte.The 1 shows chemically the effect principle of the device according to the invention for horizontal device stabilization tion and the 2 on a reduced scale, a perspective side view of this device omitting the carrier plate.

In 1 wird mit 1 ein Kardaninnenring der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der drehbeweglich um eine Achse X angeordnet ist, bezeichnet. Der Kardaninnenring trägt eine hier nicht dargestellte Trägerplatte für die horizontal zu positionierenden optischen oder elektronischen Geräte. Der Kardaninnenring 1 ist kardanisch in einem diesen konzentrisch umgebenden Kardanaußenring 2 aufgehängt. In gleicher Weise ist der Kardanaußenring, der wiederum um eine zur Achse X senkrecht orientierte Achse Y drehbeweglich ist, am Gehäuse 3 der Vorrichtung kardanisch aufgehängt. Als Antrieb für die Verstellbewegung beider Kardanringe und damit auch der Geräteplattform um die zwei Kippachsen dienen Antriebsbaugruppen 4 und 5. Diese enthalten in ihrer kompakten Bauform Antriebsmotoren 6 bzw. 6', geregelt durch Regeleinrichtungen 8 bzw. 8', sowie Präzisionsgetriebe 7 bzw. 7'. Durch die direkte Kopplung ihrer zentralen Antriebswellen mit den Kippachsen der Kardanringe erfolgen die Drehbewegungen des Kardanaußen- und des Kardaninnenringes. Dadurch lässt sich der Geräteträger auf dem Kardaninnenring 1 horizontal stabil positionieren und der Azimut nach dem jeweiligen Sollwert ausrichten.In 1 will with 1 a gimbal ring of the device according to the invention, which is arranged rotatably about an axis X, called. The gimbal ring carries a carrier plate, not shown here for the horizontally positioned optical or electronic devices. The gimbal ring 1 is gimbaled in a concentric surrounding gimbal outer ring 2 suspended. In the same way, the cardan outer ring, which in turn is rotatable about an axis Y oriented perpendicular to the axis Y, on the housing 3 the device gimbaled. To drive the adjustment movement of both gimbals and thus also the device platform to the two tilt axes serve drive assemblies 4 and 5 , These contain drive motors in their compact design 6 respectively. 6 ' , regulated by control devices 8th respectively. 8th' , as well as precision gears 7 respectively. 7 ' , Due to the direct coupling of their central drive shafts with the tilt axes of the gimbals, the rotational movements of the cardan outer and the cardan inner ring take place. This allows the device carrier on the Kardaninnenring 1 horizontally position stable and align the azimuth according to the respective setpoint.

Zum Antrieb werden im Ausführungsbeispiel drehmomentstarke Servoantriebe und Präzisionsgetriebe der Firma Harmonic Drive® verwendet, die sich bei geringer Baugröße durch ihre hervorragende Steifigkeit und eine Wiederholgenauigkeit von +/– 6 Winkelsekunden auszeichnen.In the exemplary embodiment, high-torque servo drives and precision gears from Harmonic Drive® are used for the drive, which are distinguished by their outstanding rigidity and a repeatability of +/- 6 arcseconds with their small size.

Die Vorrichtung ist für die Stabilisierung von Geräten mit einer Gesamtmasse zwischen 3 bis 20 kg vorgesehen.The Device is for the stabilization of devices provided with a total mass between 3 to 20 kg.

In 2 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung im Maßstab von etwa 1:2 in perspektivischer Ansicht, angeordnet auf einer Grundplatte 9, gezeigt. Auf dem Kardaninnenring 1 liegt die zu stabilisierende, hier nicht dargestellte Plattform auf. Gegebenfalls kann dabei die Ringöffnung des Kardaninnenringes 1 zugleich als freie Öffnung für das optische System des auf der Plattform aufgestellten, zu stabilisierenden Gerätes dienen. Zur Ermittlung von Lageabweichungen können in bekannter Weise zusätzlich geräteinterne Beschleunigungsmess- und Neigungssensoren oder auch extern angeordnete Messsysteme Verwendung finden.In 2 the device according to the invention in a scale of about 1: 2 in a perspective view, arranged on a base plate 9 , shown. On the gimbal ring 1 is the platform to be stabilized, not shown here. Optionally, while the ring opening of the Kardaninnenringes 1 at the same time serve as a free opening for the optical system of the device to be stabilized placed on the platform. In order to determine position deviations, device-internal acceleration measuring and inclination sensors or also externally arranged measuring systems can be used in a known manner.

Claims (4)

Vorrichtung mit einem aktiv einstellbaren, horizontal stabilisierten Träger für optische oder funktechnische Gerätesysteme auf einem kardanischen Ringsystem, bestehend aus einem Kardaninnenring, welcher in einem dazu konzentrisch angeordneten Kardanaußenring drehbeweglich aufgehängt ist, wobei der Kardanaußenring wiederum im Gehäuse der Vorrichtung drehbeweglich um eine Achse senkrecht zur Achse des Kardaninnenringes aufgehängt ist, und bei dem Azimutverstellungen des Kardaninnenringes und des Kardanaunenringes jeweils über eine von zwei Motor-Getriebeeinheiten als Antriebselemente erfolgen, die direkt mit den Kippachsen der kardanischen Aufhängung mechanisch gekoppelt sind.Device with an actively adjustable, horizontal stabilized carrier for optical or radio equipment systems on a gimbal ring system consisting of a gimbal ring, which is rotatably suspended in a concentric arranged Kardanaußenring, the gimbal outer ring again in the housing the device rotatable about an axis perpendicular to the axis the Kardaninnenringes hung is, and in the azimuth adjustments of the gimbal ring and the Kardanaunenringes each about one of two engine-gear units as drive elements, which are directly connected to the tilting axes of the gimbal suspension mechanically coupled. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit einen Hochleistungsmotor, ein Präzisionsgetriebe, sowie einen Winkelgeber umfasst, wobei dessen Einstellung zwecks horizontaler Ausrichtung unter Verwendung einer Regelungssoftware erfolgt.Device according to claim 1, characterized in that that the drive unit is a high performance motor, a precision gear, and an angle encoder, wherein the setting for the purpose horizontal alignment using a control software he follows. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung horizontaler Lageabweichungen des Trägers mit den Kardanringen verbundene geräteinterne Gyroskope, sowie Beschleunigungsmess- und Neigungssensoren vorgesehen sind.Device according to claims 1 and 2, characterized in that that for detecting horizontal positional deviations of the carrier with the gimbals connected device internal Gyroscopes, as well as acceleration and inclination sensors provided are. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung horizontaler Lageabweichungen des Trägers externe Messsysteme vorgesehen sind, deren elektrische Signale über Regelkreise die Antriebseinheiten steuern.Device according to one or more of the preceding Claims, characterized in that for detecting horizontal positional deviations of the carrier external measuring systems are provided whose electrical signals via control circuits the Control drive units.
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