DE2550847A1

DE2550847A1 - Referenzgeraet zur messung der winkellage eines sich bewegenden koerpers

Info

Publication number: DE2550847A1
Application number: DE19752550847
Authority: DE
Inventors: William James Fillery
Original assignee: Short Brothers and Harland Ltd
Current assignee: Short Brothers PLC
Priority date: 1974-11-12
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1976-05-13
Also published as: US4034937A; NL7513256A; GB1533232A; FR2291477A1; SE7512473L; NO753707L

Description

Referenzgerät zur Messung der Winkellage eines sich bewegenden Körpers

Die Erfindung betrifft ein Referenzgerät zur Messung der Winkellage eines sich bewegenden Körpers, und insbesondere ein Referenzgerät zur Messung der Winkelpositionen bei Änderungen der Lage eines sich bewegenden Körpers, beispielsweise zur Messung von Änderungen in der Pluglage eines Flugkörpers.

Bei sich bewegenden Körpern, beispielsweise ferngelenkten Plugkörpern oder Raketen, ist es wesentlich, daß der Rollwinkel jederzeit bekannt ist. Bei dem üblichen Verfahren zur Messung dieses Winkels wird ein elektrischer Geber an einem freien oder integrierenden Wendekreisel verwendet. Bei kleinen Plugkörpern stößt die Ausführung der Kreisel, die den sehr schnellen Startbeschleunigungen und den hohen Longitudinalbeschleunigungen gewachsen sind, auf immer größere Schwierigkeiten, je kleiner der Plugkörper ist. Ferner wird die Genauigkeit dieser Einrichtungen durch die Nutation, die Präzession, die Abdrift aufgrund von Windströmungen, die Reibung an der Kreiselaufhängung und dem Geber, eine Pehlbalance an der Kreiselaufhängung und die Verbiegung der Kreiselaufhängung unter der hohen Beschleunigung beeinflußt

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Referenzgerät der oben genannten Art zur Messung beispielsweise des Rollwinkels anzugeben, bei dem die genannten Nachteile auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Referenzgerät zur Lösung dieser Aufgabe ist in dem Hauptanspruch gekennzeichnet, während vorteilhafte Ausgestaltungen des Referenzgeräts in den Unteransprüchen charakterisiert sind.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Gerät ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch die Antriebseinrichtung um eine oder mehrere zusätzliche Achsen drehbar ist, wobei die zusätzliche Achse oder die zusätzlichen Achsen quer zu der ersten Achse liegen, daß die Positionsmeßeinrichtung in der Kammer derart gelagert ist, daß sie sich mit der Flüssigkeit um die eine zusätzliche Achse oder die mehreren zusätzlichen Achsen drehen kann, daß die zusätzliche Achse oder jede der zusätzlichen Achsen koaxial zu und entsprechend zu einer oder mehreren Achsen der Kammer angeordnet sind, daß die Positionsmeßeinricn— tung für die zusätzliche Achse oder die Positionsmeßeinrichtun— gen für die zusätzlichen Achsen je eine weitere Referenzposition definiert bzw. definieren, die im Raum in einer Ebene senkrecht zu der zusätzlichen Achse oder zu den zusätzlichen Achsen festliegt, daß die Positionsmeßeinrichtungen mit der Kammer zusammenwirken, um eine Bezugsposition der Kammer relativ zu der Referenzposition oder den Referenzpositionen zu definieren, wobei eine Drehung der Kammer um jede zusätzliche Achse zu einer Relativdrehung zwischen der Kammer und der Flüssigkeit aus der entsprechenden Bezugsposition heraus führt, was durch die Positionsmeßeinrichtung gemessen wird, die ein weiteres Ausgangssignal erzeugt, das von der Drehung um jede zusätzliche Achse abhängt, und daß jedes zusätzliche Ausgangs— signal die Antriebseinrichtung derart steuert, daß die Kammer um die entsprechende, zusätzliche Achse in jede der entsprechenden, zusätzlichen Bezugspositionen zurückgedreht wird, wobei die Ausgangs signale im Einsatz ein Maß für die Änderung in der Position des Körpers um die entsprechende, zusätzliche

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Achse relativ zu der entsprechenden, zusätzlichen Referenzposition darstellen.

Ausführungsbeispiele -werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung des Referenzgeräts; und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer ferngelenkten Rakete mit dem Referenzgerät.

Das in Figur 1 gezeigte Referenzgerät weist eine geschlossene, zylindrische Kammer 10 auf, die vollständig mit einer Flüssigkeit geringer Viskosität gefüllt ist. Die Kammer 10 ist starr mit dem Anker 11 eines Elektromotors 12 verbunden, wobei die Achse des Ankers 11 koaxial zu der Achse der Kammer 10 liegt.

Die Positionsmeßeinrichtung weist eine Flügeleinrichtung 13 auf, die auf Drehlagern 20 innerhalb der Kammer 10 um eine Achse, die koaxial zu der Achse der Kammer 10 liegt, frei drehbar ist. Die Flügel einrichtung 13 ist symmetrisch um ihre Drehachse. Einer der Flügel 13a trägt eine Maske 14, die die Form einer Mondsichel hat, wobei die beiden Enden der Maske bei zwei photoelektrischen Zellen 15 a, 15b liegen, die in einer Endfläche der Kammer 10 angeordnet sind. Ein bogenförmiges Fenster 16 ist an der anderen Endfläche der Kammer 10 gegenüber den Zellen 15 a, 15b vorgesehen. Eine Lichtquelle 17 ist so angeordnet, daß sie Licht durch das Fenster 16 schickt, das über

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die Maske 14 auf die photoelektrischen Zellen 15 a, 15 b auftrifft. Der Ausgang der photoelektrischen Zellen 15 a, 15 b wird über eine Steuereinrichtung 22 an den Motor 12 zugeführt.

Beim Einsatz des Referenzgerätes ist der Motor 12 beispielsweise mit. dem Körper einer ferngelenkten Rakete 21 (Figur 2) verbunden, wobei die Achse der Kammer 10 koaxial zu der Längsachse der Rakete 21 liegt.

Wenn die Rakete 21 eine stetige Lage in Bezug auf ihre Rollachse einnimmt, geben die photoelektrischen Zellen 15 a, 15 b gleich große Ausgangssignale, die eine Referenzposition darstellen, die im Raum in einer Ebene senkrecht zu der Rollachse der Rakete festliegt. Die Ausgangssignale sind auch ein Maß für eine Bezugslage der Kammer 10 relativ zu der Flüssigkeit und der Flügeleinrichtung 13· Die Anordnung ist so getroffen, daß die Steuereinrichtung 22 in dieser Position keinen Strom an den Elektromotor 12 liefert.

Wenn die Rakete 21 um ihre Längsachse rollt, bewegt sich die Kammer 10 von der Bezugsposition weg, und die Ausgangssignale der zwei photoelektrischen Zellen 15 a, 15 b unterscheiden sich voneinander. Das Differenzsignal wird von der Steuereinrichtung 22 ausgenutzt, um den Elektromotor 12 zu betätigen, so daß der Anker 11 sich in der Weise dreht, daß die Kammer 10 in die Bezugsposition zurückbewegt wird. Es ist zu beachten, daß dieses Differenzsignal auch die Bewegung der ferngelenkten Rakete aus der Referenzposition darstellt, die durch die Flügeleinrichtung 13 definiert ist, so daß das Differenzsignal zur Lenkung der Rakete verwendet werden kann, wozu die Steuerung der Rakete 21 durch ihre Flügel 23 eingesetzt wird.

Die Wirkung dieser Anordnung besteht darin, daß die Rakete eine beliebige Rollbewegung ausführen kann, wobei aber die Kammer und die Flügeleinrichtung 13 eine feste Orientierung im Raum beibehalten. Es besteht keine Gefahr, daß die Flüssigkeit durch die Kammer 10 nachgezogen wird, weil sie sich nicht dreht. Der

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Rollwinkel der Rakete kann leicht zwischen der Kammer und dem Körper der Rakte gemessen werden. Jegliches Drehmoment auf das System, das durch die Luleitungen oder Gleitringe verursacht sein kann, wird durch den Motor 12 leicht überwunden.

Wenn die Dichte der Flügeleinrichtung 13 genau gleich der Dichte der Flüssigkeit gemacht wird, in der sie aufgehängt ist, wird im stationären Zustand keine Belastung auf die Drehlager 20 übertragen. Wenn eine lineare Beschleunigung auf das Gerät wirkt, wird ein differentieller Druck in der Flüssigkeit aufgebaut, der die Beschleunigungskraft auf die Flüge!einrichtung 13 überträgt, so daß die Drehlager 20 wie vorher keine Last aufnehmen müssen. Daher können sehr leichte und empfindliche Drehlager verwendet werden.

Die Flügeleinrichtung 13 kann auch in einem geringen Maße als Pendel ausgebildet werden, wobei die Dichte der Flüssigkeit sich von der Dichte der Flügeleinrichtung unterscheidet. Die Flügeleinrichtung kann z.B. durch eine unsymmetrische Gewichtsverteilung zu einem Pendel gemacht werden. Eine einfache Form einer unsymmetrischen Gewichtsverteilung kann dadurch erreicht werden, daß zwei der drei Flügel schwerer als der dritte Flügel ausgeführt werden. Eine Pendelperiode von einigen Zehntelsekunden kann leicht mit hoher Dämpfung erreicht werden. Die Fehler, die während eines Raketenstarts auftreten, sind bei dieser Ausführung klein, wenn eine seitliche Beschleunigung in einer bestimmten Richtung nicht während längerer Zeit aufrechterhalten wird. Alternativ kann die Flügeleinrichtung 13 so ausgeführt sein, daß sie eine feste Referenzposition gegenüber dem Magnetfeld der Erde oder einem anderen Langzeit-Uberwachungssystem einnimmt, das gewöhnlich in Kreiseln angewendet wird. Die optische Abtasteinrichtung, die in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dazu verwendet wird, winkelmäßige Abweichungen zwischen der Lage der Flügeleinrichtung 13 und der Kammer 10 zu messen, ist nicht die einzige Möglichkeit, um die Winkel zu messen. Vielmehr können auch andere Einrichtungen verwenöet werden, die die Winkellage der Flügeleinrichtung gegenüber dem Körper feststellen können. Entsprechend ist auch der beschriebene Elektromotor 12 nicht die einzige

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Möglichkeit, um die Kammer anzutreiben. Jede geeignete Einrichtung, die das erforderliche Drehmoment erzeugen kann, kann für diesen Zweck eingesetzt werden. Schließlich ist ersichtlich, daß das oben beschriebene Referenzgerät auch zur Messung der Winkellagen des Plugkörpers in den Ebenen der Nickbewegung oder der Gierbewegung verwendet werden kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße Referenzgerät auch zur Messung der Bewegung des Plugkörpers um mehr als eine der drei Achsen verwendet werden, die den drei Freiheitsgraden der Bewegung des Plugkörpers entsprechen. Beispielsweise kann die Bewegung des Plugkörpers um die Rollachse und die Nickachse, um die Nickachse und die Gier achse oder um die Gierachse und die Rollachse gemessen werden. In diesem Fall sind die Antriebseinrichtung für die Kammer und die Kammer selbst so ausgebildet, daß die Kammer um zwei wechselweise aufeinander senkrecht stehende Achsen drehbar ist. Pur jeden der beiden Preiheitsgrade ist eine Positionsmeßeinrichtung vorgesehen, die in bzw. an der Kammer so montiert sind, daß sie sich mit der Flüssigkeit um die jeweilige der beiden Achsen mitdrehen, wobei die beiden Achsen koaxial zu den Achsen der Kammer liegen und diesen Achsen der Kammer entsprechen. Sie Positionsmeßeinrichtung für jede Achse definiert dann eine weitere Referenzposition, die im Raum in einer Ebene festliegt, die senkrecht zu der anderen Achse liegt. Die Positionsmeßeinrichtung wirkt dann mit der Kammer zusammen, um eine Bezugsposition der Kammer relativ zu der entsprechenden Referenzposition zu definieren. Die Drehung der Kammer um eine Drehung der Kammer um jede der beiden Achsen, die zu einer relativen Drehung zwischen der Kammer und der Flüssigkeit aus der entsprechenden Bezugsposition führt, wird von der Positionsmeßeinrichtung gemessen. Dadurch wird ein weiteres Ausgangssignal erzeugt, das von dieser Drehung um die entsprechende Achse abhängt. Diese weiteren Ausgangssignale werden dazu verwendet, die Antriebseinrichtung derart zu steuern, daß die Kammer um die ent« sprechende Achse gedreht wird, um die Kammer in die zugehörige Bezugspoeition zurückzubringen. Die Auegangssignale liefern

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wieder, wie oben beschrieben wurde, ein Maß für die Änderung in der Position des Flugkörpers um die entsprechende Achse relativ zu der zugehörigen Referenzposition.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Antriebseinrichtung und die Kammer derart angeordnet sind, daß die Kammer sich um drei wechselweise zueinander senkrecht stehende Achsen drehen kann. In diesem Ausführungsbeispiel können die Bewegungen des Plugkörpers in den drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen gemessen werden, die seinen drei Freiheitsgraden entsprechen, das heißt es kann die Roll-, Nick- und Gierbewegung gemessen werden. Bei diesem Ausführungsbei— spiel kann eine kugelförmige Kammer verwendet werden, wobei die Flügel einrichtung der Positionsmeßeinrichtung auf einer kardanischen Lagerung gelagert und die Kammer in drei wechselweise aufeinander senkrechten Ebenen bewegbar ist. Drei Lichtquellen und photoelektrische Zellenanordnungen werden in diesem Fall verwendet, um die Bewegungen des Flugkörpers in den Roll—, Nick- und Gier-Ebenen zu messen. Die Funktion des Referenzgerätes und die Anordnung der Positionsmeßeinrichtungen für die drei Freiheitsgrade ist entsprechend wie bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem das Referenzgerät für die Messung der Bewegungen des Flugkörpers um zwei seiner drei den Freiheitsgraden entsprechenden Achsen ausgelegt ist.

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Claims

Patentansprüche

Referenzgerät zur Messung von Änderungen in der Winkel— age eines sich bewegenden Körpers, insbesondere zur Winkelpositionsmessung bei Änderungen der Pluglage eines Plugkörpers, d a d u rc h gekennzeichnet, daß das Referenzgerät eine geschlossene Kammer (10), die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und durch eine Antriebseinrichtung (12) um eine Achse drehbar ist, und eine Positionsmeßeinrichtung (13_f 15 a, 15b, 17) aufweist, die in der Kammer (10) drehbar mit der Flüssigkeit und unabhängig von der Kammer um eine Achse drehbar ist, die koaxial zu der Achse der Kammer (10) liegt, und die mit der Flüssigkeit eine Referenzposition definiert, die im Raum in einer Ebene senkrecht zu der Achse der Kammer (10) festliegt, und die mit der Kammer (10) zusammenwirkt, um eine Bezugsposition der Kammer (10) in Bezug auf die Referenzposition zu definieren, wobei im Einsatz eine Drehung der Kammer (10) um ihre Achse eine Relativdrehung zwischen der Kammer (10) und der Flüssigkeit aus der Bezugsposition heraus bewirkt, was durch die Positionsmeßeinrichtung (I3_f 15 a, 15b, 17) gemessen und in ein Ausgangssignal umgesetzt wird, das eine Punktion der Relativdrehung ist, daß das Ausfangssignal die Antriebseinrichtung (12) derart steuert, daß die Kammer (10) in die Bezugsposition zurückgedreht wird, und daß das Ausgangssignal im Einsatz ein Maß für die Änderung in der Position eines Körpers, mit dem das Referenzgerät verbunden ist, um die Achse relativ zu der Referenzposition liefert.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsmeßeinrichtung eine Flügeleinrichtung (13) aufweist, die in der Kammer (10) frei drehbar relativ zu und um die Achse der Kammer (10) gelagert ist.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügeleinrichtung (13) symmetrisch um ihre Drehachse angeordnet ist.

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4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plügeleinrichtung (13) derart angeordnet ist, daß sie eine Referenzposition einnimmt, die auf das Magnetfeld der Erde bezogen ist.
5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Plügeleinrichtung (13) gleich der Dichte der Flüssigkeit ist.
6. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plügeleinrichtung (13) um ihre Drehachse pendelfähig ausgebildet ist, . so daß die durch die Plügeleinrichtung definierte Referenzposition mit der Richtung der Schwerkraft in Beziehung steht, und daß die Dichte der Flüssigkeit sich von der Dichte der Plügeleinrichtung (13) unterscheidet.
7. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsmeßeinrichtung ferner eine Lichtquelle (17) aufweist, die auf eine photoelektrische Zelle (15 a oder 15 b) gerichtet ist, wobei der Lichtstrahl zwischen der Lichtquelle und der photoelektrischen Zelle durch die Flüssigkeit verläuft und die Plügeleinrichtung (13) den Lichtstrahl in einem Maße unterbricht, das eine Punktion der Drehung der Kammer (10) relativ zu der Bezugsposition ist, wobei die photoelektrische Zelle (15 a oder 15b) ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Funktion der Drehung ist und das zur Betätigung der Antriebseinrichtung (12) verwendet wird.
8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtquellen (17) und zwei photoelektrische Zellen (15 a, 15 b) vorgesehen sind, wobei der Lichtstrahl der einen Lichtquelle von der Plügeleinrichtung (13) in stärkerem Maße unterbrochen wird, wie der Lichtstrahl der anderen Lichtquelle zu einem geringeren Maße unterbrochen wird, so daß beide photoelektrischen Zellen (15 a, 15 b) Ausgangssignale erzeugen, die von der Position der Kammer (10) relativ zu der Bezugsposition abhängen.

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9. Gerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügeleinrichtung (13) eine profilierte Maske (14) aufweist, die den Lichtweg "bzw. die Lichtwege unterbricht.
10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (12) einen Elektromotor aufweist, dessen Anker (11) mit der Kammer (10) verbunden und mit der Kammer (10) koaxial angeordnet ist.
11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer durch die Antriebseinrichtung um eine oder mehrere zusätzliche Achsen drehbar ist, wobei die zusätzliche Achse oder die zusätzlichen Achsen quer zu der ersten Achse liegen, daß die Positionsmeßeinrichtung in der Kammer derart gelagert ist, daß sie sich mit der Flüssigkeit um die eine zusätzliche Achse oder die mehreren zusätzlichen Achsen drehen kann, daß die zusätzliche Achse oder jede der zusätzlichen Achsen koaxial zu und entsprechend zu einer oder mehreren Achsen der Kammer angeordnet sind, daß die Positionsmeßeinrich— tung für die zusätzliche Achse oder die Positionsmeßeinrichtungen für die zusätzlichen Achsen je eine weitere Referenzposition definiert bzw. definieren, die im Raum in einer Ebene senkrecht zu der zusätzlichen Achse oder zu den zusätzlichen Achsen festliegt, daß die Positionsmeßeinrichtungen mit der Kammer zusammenwirken, um eine Bezugsposition der Kammer relativ zu der Referenzposition oder den Referenzpositionen zu definieren, wobei eine Drehung der Kammer um jede zusätzliche Achse zu einer Relativdrehung zwischen der Kammer und der Flüssigkeit aus der entsprechenden Bezugsposition heraus führt, was durch die Positionsmeßeinrichtung gemessen wird, die ein weiteres Ausgangs signal erzeugt, das von der Drehung um jede zusätzliche Achse abhängt, und daß jedes zusätzliche Ausgangssignal die Antriebseinrichtung derart steuert, daß die Kammer um die entsprechende, zusätzliche Achse in jede der entsprechenden, zusätzlichen Bezugspositionen zurückgedreht wird, wobei die Ausgangs signale im Einsatz ein Maß für die Änderung in der Position des Körpers um die entsprechende, zusätzliche Achse relativ zu der entsprechenden zusätzlichen Eeferenzposition darstellt. 6098 2 0/1200