NL1006599C2

NL1006599C2 - Stelsel voor het stabiliseren van een op een beweegbaar platform geplaatst object.

Info

Publication number: NL1006599C2
Application number: NL1006599A
Authority: NL
Inventors: Wilhelmus Marie Herman Vaassen
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1997-07-16
Publication date: 1999-01-19
Also published as: EP0995079A1; US6621245B2; WO1999004224A1; AU9071698A; CA2295499A1; DE69833771D1; US6351092B1; EP0995079B1; US20020105298A1; DE69833771T2; AU740051B2; CA2295499C

Description

Stelsel voor het stabiliseren van een op een beweegbaar platform geplaatst object

De uitvinding heeft betrekking op een stelsel voor het 5 stabiliseren van een object ten opzichte van een beweegbaar platform, omvattende: een stabilisatieinrichting voorzien van servomotoren en een servostuureenheid; - een platform verbonden met een te stabiliseren zijde 10 van de stabilisatieinrichting;

De uitvinding vindt met name zijn toepassing bij het stabiliseren van sensoren op een marineschip. Een stelsel van dit type is bekend uit onder meer het octrooischrift 15 US-A 5,573,218, welk octrooischrift hierbij onder verwijzing wordt ingevoegd. De alhier gepubliceerde stabilisatieinrichting omvat een opeenstapeling van wigvormige elementen, waarbij ieder element roteerbaar is ten opzichte van het onderliggende element. De oriëntatie 20 van het object wordt aldus gerealiseerd door onderlinge verdraaiing van rond niet evenwijdige assen ten opzichte van elkaar verdraaibare sub-elementen. De servostuur-inrichting draagt ervoor zorg dat het object door verdraaiing van de afzonderlijke elementen in een gewenste, 25 doorgaans steeds horizontale, positie wordt gemanoeuvreerd en gehouden. In de gepubliceerde uitvoeringsvorm wordt daartoe de positie van het object ten opzichte van een substructuur berekend uit de geometrie van de stabilisatieinrichting en de relatieve hoekpositie van ieder element 30 ten opzichte van zijn onderliggende element. Deze relatieve hoekposities worden opgemeten met behulp van encoders. Een nadeel van de gepubliceerde stabilisatieinrichting is dat als gevolg van trillingen fouten in de stabilisatie kunnen optreden doordat de stabilisatieinrichting een zekere 35 elasticiteit bezit. Met name indien de stabilisatie- 1006599 2 inrichting gebruikt gaat worden voor het stabiliseren van een optische scanner, waarbij een hoge stabilisatienauw-keurigheid is gewenst, kan dit nadelige gevolgen hebben.

5 Een mogelijke oplossing van dit probleem kan worden gevonden in het octrooischrift US-A 3,358,285. In de aldaar gepubliceerde stabilisatieinrichting wordt het stabilisatieplatform voorzien van gyroscopen ten einde de positie hiervan ten opzichte van een inertiaal assenstelsel 10 te kunnen bepalen. Deze oplossing heeft echter het nadeel dat hoekgevende gyroscopen relatief duur zijn, zeker indien een hoge nauwkeurigheid is gewenst. Bovendien kan dan niet worden geprofiteerd van het feit dat op marineschepen doorgaans de beschikking is over een centraal gyrosysteem 15 dat de hoekposities van het schip ten opzichte van een inertiaal assenstelsel meet.

Het stelsel volgens de uitvinding beoogt aan de bovengenoemde nadelen tegemoet te komen en heeft daartoe als 20 kenmerk, dat: - het stelsel verder een hoeksnelheidsmeetinrichting ten opzichte van een inertiaal assenstelsel en verbonden met het stabilisatieplatform omvat; de servostuureenheid is voorzien van aansluitmiddelen 25 voor het verbinden van de servostuureenheid met een externe hoekpositiemeeteenheid van het beweegbare platform; de servostuureenheid is ingericht voor het aansturen van de servomotoren op basis van hoekpositiesignalen 30 van de hoekpositiemeeteenheid en hoeksnelheidssignalen van de hoeksnelheidsmeetinrichting.

Bij marineschepen is doorgaans een stelsel gyroscopische hoekpositie opnemers op een vaste plaats in het schip 35 aangebracht. Deze meten doorgaans de scheepshoeken ten λ r, n § 5 9 9 i U ^ v· * 3 opzichte van een noordhorizontaal assenstelsel. Sensoren die gestabiliseerd moeten worden zijn op afstand van de hoekpositieopnemers geplaatst. Door vervormingen van het schip en scheepstrillingen kunnen er afwijkingen optreden 5 tussen de gemeten hoekpositie en de daadwerkelijke hoekpositie ter plaatse van de sensor. Een oplossing van dit probleem wordt hierin gevonden dat de hoeksnelheids-signalen worden gecombineerd met de hoekpositiemetingen.

10 Op deze wijze heeft men beschikking over twee verschillende meetinstrumenten, elk met hun specifieke voordelen en nadelen, om de stabilisatie te bewerkstelligen. In de praktijk zal blijken dat het ene instrument in een bepaald freguentiegebied een nauwkeuriger meting verricht dan in 15 het andere freguentiegebied.

Een gunstige uitvoeringsvorm heeft daartoe het kenmerk, dat de rekenmiddelen voor het berekenen van de stuursignalen zijn ingericht voor het uitvoeren van een freguentie-20 afhankelijke weging van de hoeksnelheidssignalen en de hoekpositiesignalen.

De hoeksnelheidsgevers worden bij voorkeur gebruikt voor stabilisatie in een hoge freguentieband en de hoekpositie-25 gevers voor stabilisatie in een lage freguentieband. Op deze wijze worden scheepstrillingen niet doorgegeven aan het stabilisatieplatform, terwijl nochtans verstoringen met een hoogfreguent karakter (snelle bewegingen) genoegzaam onderdrukt worden.

30

Een verder gunstige uitvoeringsvorm heeft daartoe het kenmerk, dat de rekenmiddelen zijn ingericht voor het zodanig uitvoeren van de freguentie-afhankelijke weging, dat de stuursignalen voor freguenties lager dan een zekere 35 freguentie ω0 in hoofdzaak worden bepaald door de . ,· ’ ·; :> P 9 4 hoekpositiesignalen en voor hogere frequenties in hoofdzaak worden bepaald door de hoeksnelheidssignalen.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van 5 bijgevoegde figuren, waarin:

Fig. IA en 1B een uitvoeringsvorm van het stelsel volgens de uitvinding weergeeft, omvattende een stabilisatieinrichting en een servostuureenheid; Fig. 2 een uitvoeringsvorm van een conventionele 10 servostuureenheid weergeeft;

Fig. 3 een uitvoeringsvorm van een servostuureenheid voor toepassing in het stelsel volgens de uitvinding weergeeft;

Fig. 4 een nadere uitwerking van een uitvoeringsvorm van 15 de servostuureenheid volgens de uitvinding weergeeft.

In figuur IA en 1B is schematisch een uitvoeringsvorm van het stelsel volgens de uitvinding in respectievelijk 20 bovenaanzicht en zijaanzicht weergegeven, omvattende een stabilisatieinrichting 1 en een servostuureenheid 2 waarmee de stabilisatieinrichting 1 wordt aangestuurd. De stabilisatieinrichting 1 omvat een jukvormige substructuur 3, welke is verbonden met een niet aangegeven schip. De 25 vaarrichting van het schip is aangegeven met de pijl R. De stabilisatieinrichting 1 omvat verder een eerste beweegbaar jukvormig element 4 en een daaraan verbonden tweede beweegbaar jukvormig element 5, welke twee elementen om onderling niet evenwijdige assen 6 en 7 roteerbaar zijn.

30 Een stabilisatieplatform 8 is verbonden met het tweede element 5 dat de te stabiliseren zijde van de stabilisatieinrichting omvat. Op het stabilisatieplatform 8 kan een niet aangegeven rondzoeksensor worden aangebracht. De stampbewegingen van het schip worden nu gecompenseerd door 35 rotatie van element 4 rond de as 6 en de rolbewegingen door 1006599 5 rotatie van element 5 rond de as 7. Beide assen 6 en 7 zijn daartoe voorzien van een servomotor en een hoekopnemer. Ten behoeve van de duidelijkheid zijn alleen voor de as 6 de servomotor 9, eventueel voorzien van een tandwielover-5 brenging 10, en de hoekopnemer 11 aangegeven. De servo-motoren worden aangestuurd door de servostuureenheid 2, welke verbonden is met de hoekopnemers en met een centraal in het schip aangebracht stelsel van gyroscopen 12, voor het opnemen van de rol-, stamp- en gierhoeken van het schip 10 ten opzichte van een noordhorizontaal assenstelsel. In de figuur is de verbinding met de servomotor 9 aangegeven met verbindingslijn 13 en de verbinding met de hoekopnemer 11 roet verbindingslijn 14. De verbinding met het gyroscopenstelsel 12 is aangegeven met verbindingslijn 15.

15

Het stelsel van gyroscopen 12 is echter niet in staat om rekening te houden met optredende vervormingen van het schip en van de stabilisatieinrichting. Overeenkomstig de uitvinding is hiertoe op het stabilisatieplatforra een 20 tweetal opnemers 16 en 17 aangebracht. Deze meten respectievelijk een absolute stamp- en rolhoeksnelheid van het stabilisatieplatform 8 ten opzichte van een inertiaal assenstelsel en zijn eveneens verbonden met de servostuureenheid 2. De hoeksnelheidsopnemers 16 en 17 25 omvatten in het uitvoeringsvoorbeeld commercieel verkrijgbare gyrochips, welke goedkoop, compact en eenvoudig aan te brengen zijn. Eveneens kunnen echter conventionele rate gyros worden toegepast. In de figuur is de verbinding van gyrochip 16 met de servostuureenheid 2 30 aangegeven met verbindingslijn 18.

In figuur 1B is de stabilisatieinrichting in aanzicht weergegeven. Daarbij maakt het eerste element 4 een kleine hoek y met de substructuur 3.

35 1 ö C 6 Ö 9 9 6

In figuur 2 is een uit de regeltechniek bekend blokschema van een conventioneel stelsel weergegeven. Hierbij is de stabilisatieinrichting voorgesteld door middel van een black box, aangeduid met de letter P, welke een 5 overdrachtsfunctie in het Laplace-domein voorstelt die door de stabilisatieinrichting wordt gerealizeerd. De stabilisatieinrichting wordt aangestuurd door servostuur-eenheid 19. Voor het verduidelijken van de stand van de techniek is alleen de overdrachtsfunctie tussen de aan de 10 servomotoren aangeboden stuurstroom, aangeduid met de letter u, welke direct resulteert in een stuurkracht, en de resulterende hoekpositie, aangeduid met de letter y, van het stabilisatieplatform van belang. Daarbij wordt alleen de stampbeweging in ogenschouw genomen, daar de compensatie 15 voor rolbeweging op analoge wijze kan geschieden. De servo-stuureenheid 19 bepaalt in de gebruikstoestand een servo-stuurfout, aangeduid met de letter e, welke het verschil is tussen een setpoint aangeduid met ys, en y. De servo- stuureenheid 19 omvat verder een regelaar, aangeduid met de 20 letter C, welke op basis van de servostuurfout e de stuurstroom u berekent, op een zodanige wijze dat de servostuurfout e steeds zo klein mogelijk blijft, ondanks eventueel optredende verstoringen. Aan de servostuureenheid 19 wordt tevens de door het stelsel gyroscopen 12 gemeten 25 stamphoek, in de figuur aangeduid met i/>g, van het schip aangeboden. In het blok aangeduid met de letter N wordt hiervan het negatief genomen. Teneinde het stabilisatieplatform in horizontale positie te houden wordt als gewenste stamphoek van het stabilisatieplatform het 30 negatief van de door het stelsel gyroscopen 12 gemeten scheepshoeken als setpoint ys ingegeven. Het bovenstaande impliceert dat in de gebruikstoestand de gemeten stamphoek y het negatief van de gemeten stamphoek van het schip zo goed mogelijk zal volgen.

7

Zoals aangegeven heeft deze bekende methode het nadeel dat de gyroscopen 12 geen rekening houden met de vervormingen van het schip en dat de hoekopnemers verbonden aan de stabilisatieinrichting geen rekening houden met 5 vervormingen van de stabilisatieinrichting zelf.

In figuur 3 is weergegeven hoe de servostuureenheid 2 volgens de uitvinding is aangepast teneinde de bovengenoemde nadelen, althans voor wat betreft de stamphoek, op 10 te heffen. Voor de rolhoek kan de geschetste servostuureenheid weer op analoge wijze worden toegepast. Volgens de uitvinding worden, naast de vermelde meetsignalen i>g en y, tevens de vermelde gemeten absolute hoeksnelheidssignalen, aangeduid met φ van het stabilisatieplatform 8 uit figuur 15 IA en 1B aan de servostuureenheid 2 aangeboden. In een combinatie-eenheid 20, welke onderdeel is van de servostuureenheid 2, worden deze signalen nu gecombineerd tot een setpoint ys. In de servostuureenheid 2 wordt wederom de servostuurfout e als verschil tussen het setpoint ys en 20 de gemeten stamphoek y rond de as 6 in figuur IA en 1B

bepaald. De servostuurfout e wordt aangeboden aan regelaar C, welke een stuurstroom u voor de servomotor 9 bepaalt.

Ter verduidelijking is in de figuur tevens aangegeven dat 25 de gemeten absolute hoeksnelheidssignalen φ ontstaan door sommatie van de absolute hoeksnelheid, aangeduid met $s, van de substructuur 3 en de relatieve hoeksnelheid y van het stabilisatieplatform 8 ten opzichte van de substructuur 3. De overdrachtsfunctie tussen de stuurkracht u van de 30 servomotor 9 en de relatieve hoeksnelheid y is weergegeven met behulp van de black box aangeduid met Pv.

In figuur 4 is een geprefereerde uitvoeringsvorm van de combinatie-eenheid 20 weergegeven. De combinatie-eenheid 20 35 omvat een laagdoorlaatfilter 21, voor het filteren van de *1 « , ..

δ gemeten absolute stamphoek van het schip, ter verkrijging van gefilterde absolute stamphoeken. Indien het te stabiliseren object een rondzoeksensor betreft, dan wordt de bandbreedte ω0 van het filter 21 bij voorkeur gekozen in 5 de buurt van de omwentelingsfrequentie van de sensor, zodat de sensor voor kort op elkaar volgende scans in hoofdzaak in dezelfde richting blijft kijken. Vooral indien de rondzoeksensor een electro-optische sensor voorzien van een pixel array betreft is dit van belang. In dat geval wordt 10 de processing op de pixels sterk vereenvoudigd, doordat voor iedere scan een pixel in hoofdzaak eenzelfde elevatie-hoek afbeeldt als voor de vorige scans. De combinatie-eenheid omvat verder een integrator 22 voor het integreren van de absolute stamphoeksnelheidssignalen tot absolute 15 stamphoekpositiesignalen van het stabilisatieplatform. Daarna wordt de gemeten relatieve stamphoek y van het stabilisatieplatform ten opzichte van de substructuur 3 hiervan afgetrokken, ter verkrijging van absolute stamp-hoeksignalen van de substructuur. Deze signalen worden 20 vervolgens gevoerd door een hoogdoorlaatfilter 23, dat althans nagenoeg complementair is aan het laagdoorlaatfiler 21, ter verkrijging van gefilterde absolute stamphoek-signalen Vs van de substructuur 3. Het negatief van deze signalen wordt vervolgens opgeteld bij het negatief van de 25 gefilterde absolute stamphoeken van het schip. Op deze wijze wordt een setpoint gegenereerd op basis van een frequentie-afhankelijke weging van de metingen met behulp van de scheepsgyro's en die van de absolute hoeksnelheids-meters. Onder toepassing van de geschetste complementaire 30 filters betekent dit dat voor verstoringen met een hoogfrequent karakter, i.e. snelle bewegingen, het setpoint ys in hoofdzaak wordt bepaald door de metingen van de absolute hoeksnelheidsmeters 16 en 17 en voor verstoringen met een laagfrequent karakter, i.e. langzame bewegingen, 35 door de metingen van de scheepsgyro's 12.

1006599 9

Het bovenstaande kan nog worden verduidelijkt met behulp van uit de regeltechniek bekende formules. Daarbij worden de volgende symbolen gebruikt, welke in dit geval op het vakgebied van de regeltechniek bekende Laplace 5 getransformeerde variabelen voorstellen, s : Laplace variabele Φg : de met de scheepsgyro's gemeten stamphoek φ : de met de gyrochip gemeten stamphoeksnelheid van het stabilisatieplatform; 10 y : de gemeten hoekverdraaiing van het eerste element 4 rond de stamp-as 6.

H(s) : een overdrachtsfunctie van het 1aagdoorlaatfilter in het Laplace domein, afhankelijk van de Laplace variabele s, met als eigenschap: H(0)=1 en 15 H(°o)=0.

l-H(s) : overdrachtsfunctie van het filter dat complemen tair is aan H(s).

y8 : uiteindelijk verkregen setpoint.

20 Het blijkt nu dat ys gelijk is aan: ys = - {tfg.H(s) + *,.( 1 “ H<s)> met: 25 * - ! - y.

Voor H(s) wordt bij voorkeur een tweede orde filter gekozen, met overdrachtsfunctie: 30 «<*> - ST-b-- — + — s + 1 ωο 35

Hierin is: β : een dempingsfactor, bij voorkeur in de buurt van 1; ω0 : de ongedempte eigenfrequentie, bij voorkeur ongeveer 1 0 C 6 5 9 9 10 gelijk aan de omwentelingsfrequentie van een te stabiliseren sensor.

Onder toepassing van uit de wiskunde bekende regels kan 5 worden aangetoond dat het gegenereerde setpoint, verkregen op de hierboven geschetste wijze, een nauwkeuriger waarde van de absolute stand van de substructuur geeft.

Foutbronnen als gevolg van vervormingen van de scheepsromp met een hoogfrequent karakter worden op afdoende wijze 10 weggefilterd, terwijl bij afwezigheid van foutbronnen het setpoint de absolute stand van de substructuur exact weergeeft, zonder fase- of amplitudefouten, voor alle frequenties.

15 Het spreekt vanzelf dat, onder toepassing van uit de regeltechniek bekende wetmatigheden, door herschikking blokken in het weergegeven schema eenzelfde functionaliteit kan worden verkregen. Op basis van de ontwerpmethodieken voor Kalmanfliters kan tevens een Kalmanfilter worden 20 afgeleid, waarin de aangegeven meetsignalen worden gecombineerd ter verkrijging van de frequentie-afhankelijke weging. Het voordeel hiervan is dat, indien de ruisspectra van de optredende verstoringen bekend zijn, een filter kan worden verkregen dat een nog nauwkeuriger setpoint kan 25 genereren.

Op overeenkomstige wijze kunnen de beschreven technieken volgens de uitvinding worden toegepast op andere typen stabilisatieplatformen, bijvoorbeeld zoals beschreven in 30 US-A 5,573,218.

Γ* · v '

Claims

1. Stelsel voor het stabiliseren van een object ten opzichte van een beweegbaar platform, omvattende: 5. een stabilisatieinrichting voorzien van servomotoren en een servostuureenheid; - een stabilisatieplatform verbonden met een te stabiliseren zijde van de stabilisatieinrichting; met het kenmerk, dat: 10. het stelsel verder een hoeksnelheidsmeetinrichting voor het meten van hoeksnelheden ten opzichte van een inertiaal assenstelsel en verbonden met het stabilisatieplatform omvat; de servostuureenheid is voorzien van aansluitmiddelen 15 voor het verbinden van de servostuureenheid met een externe hoekpositiemeeteenheid voor het meten van hoekposities van het beweegbare platform; - de servostuureenheid is ingericht voor het aansturen van de servomotoren op basis van hoekpositiesignalen van de 20 hoekpositiemeeteenheid en hoeksnelheidssignalen van de hoeksnelheidsmeetinrichting.

2. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de servostuureenheid is voorzien van rekenmiddelen voor het 25 combineren van de hoeksnelheidssignalen en de hoekpositiesignalen tot verdere stuursignalen voor de stabilisatieinrichting .

3. Stelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de 30 rekenmiddelen, voor het berekenen van de verdere stuursignalen, zijn ingericht voor het uitvoeren van een frequentie-afhankelijke weging van de hoeksnelheidssignalen en de hoekpositiesignalen. 35 • '*· Λ '* '· ' ,

4. Stelsel volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de rekenmiddelen zijn ingericht voor het zodanig uitvoeren van de frequentie-afhankelijke weging, dat de stuursignalen voor frequenties lager dan een zekere frequentie ω0 in 5 hoofdzaak worden bepaald door de hoekpositiesignalen en voor hogere frequenties in hoofdzaak worden bepaald door de hoeksnelheidssignalen.

5. Stelsel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de 10 rekenmiddelen twee complementaire filters omvatten, respectievelijk verbonden met de hoekpositiesignalen en de hoeksnelheidssignalen en optelmiddelen voor het althans in de gebruikstoestand verkrijgen van de stuursignalen.

6. Stelsel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de rekenmiddelen een Kalmanfilter omvatten, de uitgang waarvan althans in de gebruikstoestand de stuursignalen opleveren.