DE2948051A1

DE2948051A1 - Nordsuchender kreisel

Info

Publication number: DE2948051A1
Application number: DE19792948051
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Heinz 6902 Sandhausen Riethmüller; Prof. Dr.-Ing. Peter 6909 Walldorf Schultz; Rainer Dipl.-Ing. 69045 Hirschberg Sindlinger
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1979-11-29
Filing date: 1979-11-29
Publication date: 1981-06-04
Also published as: US4379365A; DE2948051C2; IT8025958A0

Description

44- E-460 /11

Die Erfindung bezieht sich auf einen nordsuchenden
Kreisel gemäß Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Aus der DE-AS 14 98 042 ist ein derartiger Kreisel
bekannt, welcher grundsätzlich als ein Wendekreisel
mit zwei Freiheitsgraden ausgebildet ist. Der bekannte Kreisel enthält einen um eine möglichst vertikal
ausgerichtete Drehachse drehbaren Rahmen mit einem
Kreiselrotor, dessen Spinachse orthogonal zur genannten Drehachse bzw. Hochachse und somit in einer horizontalen Ebene liegt. Der Rahmen ist mittels Gaslagern drehbar in einem sogenannten Pendelkörper angeordnet, wobei dieser mittels Kardangelenk innerhalb eines Gehäuses derart aufgehängt ist, daß die vertikale Ausrichtung der Drehachse ermöglicht wird. Die derart
ausgebildete Loteinrichtung enthält außerdem am unteren Ende des Pendelkörpers einen elektrisch betätigbaren Lotmagneten, dessen Anker nach Durchführung der Lotung sich auf einem kalottenförmigen Teil des Gehäuses abstützt. Der Rahmen ist bezüglich des Gehäuses an eine Nullstellung gefesselt. Es ist weiterhin ein
Nachführkreis vorgesehen, enthaltend einen Abgriff für die Winkelstellung des Rahmens, geeignete Verstärkereinrichtungen und einen Stellantrieb zwischen Gehäuse und Pendelkörper, um eine Nachführung des Pendelkörpers im Sinne einer Verringerung des Rahmenabgriffsignales zu bewirken. Bei einem derartigen nordsuchenden Kreisel bewirkt bekanntlich die Horizontalkomponente der
Erddrehgeschwindigkeit ein vom Sinus des Ablagewinkels der Drallachse zur Nordrichtung abhängiges nordtreibendes Moment, welches eine entsprechende Auslenkung des Rahmens verursacht. Mittels des Nachführkreises wird
daher der Pendelkörper nachgeführt, bis die genannte
Rahmenauslenkung gegen Null geht. Die mittels eines
als Resolver ausgebildeten Winkelgebers erfaßte Winkelstellung des Pendelkörpers gegenüber dem Gehäuse ent-

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spricht dann im wesentlichen der Nordrichtung. Außer dem nordtreibenden Moment sind jedoch auch das Fesselmoment sowie Störmomente verursacht insbesondere durch Kreiseldriften, die Rahmenlagerung, Stromzuführungen sowie von außen einwirkende Vibrationen zu berücksichtigen, so daß je nach Güte des Kreisels Nordungsfehler entstehen. Darüber hinaus besteht die Forderung nach einer kurzen Nordungszeit, zumal die Nordung bei stillstehendem Kreiselträger, beispielsweise einem Fahrzeug, durchzuführen ist und ein längerer Fahrzeugstillstand in der Regel aus taktischen Gründen unerwünscht ist.

Es ist weiterhin aus der DE-OS 23 36 956 ein nordsuchender Kreisel der genannten Art bekannt, bei welchem zunächst eine schnelle Nachführung in eine erste Stellung durchgeführt wird, in welcher die Kreiselspinachse grob in die Nordrichtung ausgerichtet ist. Nachfolgend wird der Nachführkreis aufgetrennt und in Abhängigkeit des Rahmenabgriffsignals ein zwischen Rahmen und Pendelkörper angeordneter Drehmomenterzeuger angesteuert. In dem derart ausgebildeten Fesselkreis entspricht der Strom des Drehmomenterzeugers dem Fesselmoment, so daß unter Berücksichtigung des Kreiseldralls die Eingangswinkelgeschwindigkeit und somit die vorhandene Nordablage bestimmt werden kann.

Hierbei werden geeignete Filter vorgesehen, um den Ein-, fluß der zu erwartenden externen Störbewegungen zu begrenzen.

Es ist weiterhin zur Erfassung der Winkelstellung des Pendelkörpers gegenüber dem Gehäuse ein Winkelgeber vorgesehen, wobei aus dessen Signal und der Nordablage sich die Nordrichtung ergibt. Durch die Einschaltung

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.Ί2-

des genannten Fesselkreises wird bei entsprechender Vorgabe des Übertragungsfaktors die dominante Eigenfrequenz des Kreisels erhöht, so daß der durch Gleichrichtmomente bedingte Nordfehler bzw. die Störbewegungsempfindlichkeit des Kreisels verringert wird. Da aber andererseits das Fesselmoment von Kreiseldriften, die sich insbesondere mit der Temperatur oder über der Zeit in nicht vorherbestimmbarer Weise ändern, abhängig ist, können nicht unerhebliche Fehler in dem ausgegebenen Nordwinkel enthalten sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen nordsuchenden Kreisel mit einem geringen Aufwand derart auszubilden, daß eine schnelle und zuverlässige Bestimmung der Nordrichtung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße nordsuchende Kreisel zeichnet sich durch einen vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Aufbau aus, zumal durch die Integration von Schrittmotor und Winkelgeber, die bei heutigen Genauigkeitsanforderungen sonst benötigten aufwendigen Winkelgebersysteme entfallen. Es ist zweckmäßig, einen flachen, mit Zahnkränzen versehenen Taumelscheiben-Schrittmotor vorzusehen, welcher eine hohe Teilungsgenauigkeit aufweist. Hierbei ist die Lagerung zwischen Stator und Rotor des Schrittmotors gleichzeitig die Lagerung für den Pendelkörper, wodurch eine erhebliche konstruktive Vereinfachung erreicht wird. Zur Vermeidung von Kardanfehlern kann der Schrittmotor bzw. Winkelgeber zwischen dem am Gehäuse befestigten Kardangelenk und dem Pendelkörper angeordnet werden. Somit kann auch die äußere Achse des Kardangelenks, falls der Kreisel in einem Fahrzeug eingesetzt wird,« sehr leicht auf die Fahrzeugrollachse ausgerichtet werden. Gegebenenfalls kann

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aber auch ein Schrittmotor konventioneller Bauart vorgesehen werden, welchem insbesondere ein Schnekkengetriebe nachgeschaltet ist. In allen Fällen ist es von besonderem Vorteil, daß die Winkelstellung des Pendelkörpers, ausgehend von einer vorgegebenen Nullstellung, in einfacher Weise aus den Ansteuersignalen des Schrittmotors, d.h. durch zählen der Schritte, bestimmt werden kann.

Die Lotung des Pendelkörpers bzw. die vertikale Ausrichtung der Rahmendrehachse erfolgt bevorzugt mittels eines am unteren Ende angeordneten Elektromagneten, dessen Anker sich auf einem kalottenförmigen Teil des Gehäuses abstützt. Selbstverständlich können zu diesem Zweck auch andere Lotfühler sowie durch diese gesteuerte Stellglieder vorgesehen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform, wobei in bekannter Weise ein Fesselkreis für den Rahmen vorgesehen ist, werden in zwei gegeneinander um einen vorgegebenen Winkel von insbesondere 90° verdrehten Stellungen die Fesselmomente bzw. Eingangswinkelgeschwindigkeiten gemessen und aus diesen näherungsweise die Nordablage bestimmt. Anschließend wird mittels des Schrittmotors entsprechend der Nordablage der Pendelkörper nachgestellt und somit grob nach der Nordrichtung ausgerichtet und nunmehr in einer Feinmessung die Nordrichtung bestimmt. Auf diese sehr vorteilhafte Weise liegt bereits nach einer kurzen Zeit ein erster Näherungswert für die Nordrichtung in der Größenordnung von 1 Grad vor, deren Genauigkeit durch die etwas länger dauernde Feinmessung um eine Größenordnung weiter gesteigert wird. Hierbei ist es sehr zweckmäßig zur Störunterdrückung jeweils mehrere Winkelmessungen durchzuführen und Mittelwerte zu bilden bzw. eine Filterung von Störgrößen durchzuführen. Die Steuerung des genannten Nordungsablaufes, die Bestimmung der Winkel 130023/0268

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sowie die Filterung erfolgt bevorzugt mittels einer Recheneinrichtung bzw. eines Microprozessors. Zur Kompensation der Kreiseldrift wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, nach der einen Feinmessung den Kreisel mittels des Schrittmotors um einen definierten Winkel von insbesondere 180° zu verdrehen und danach eine zweite Feinmessung vorzunehmen. Aus den hierbei gemessenen Fesselmomenten bzw. Eingangswinkelgeschwindigkeiten wird dann die Nordrichtung mit einer sehr hohen Genauigkeit sowie die Kreiseldrift bestimmt. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 - eine Prinzipdarstellung des nordsuchenden Kreisels teilweise im Längsschnitt,

Fig. 2 - ein Blockschaltbild des Kreisels gemäß Fig. 1.

Der nordsuchende Kreisel gemäß Fig. 1 enthält in einem Gehäuse 1 einen über eine Grundplatte 2 und ein Kardangelenk 3 aufgehängten Pendelkörper 4. Zwischen dem schematisch dargestellten Kardangelenk 3 und dem Pendelkörper 4 ist ein als Taumelscheibenmotor ausgebildeter Schrittmotor 5 angeordnet. Der Schrittmotor enthält einen am Kardangelenk 3 befestigten Stator 6 sowie einen über ein Kugellager 7 drehbar angeordneten Rotor 8. Das Kugellager 7 dient gleichzeitig zur Lagerung des mit dem Rotor 8 verbundenen Pendelkörpers 4. Auf dem Stator 6 sind über den Umfang verteilt eine Anzahl von elektrischen Wicklungen 9 angeordnet. Der Rotor enthält einen mit dem Pendelkörper mittels einer axial

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^E"⁴⁶⁰ /¹⁶

nachgiebigen und radial steif angeordneten Taumelscheibe, oder mittels einer Membran 10 verbundenen Zahnkranz 11, welchem auf dem Stator gegenüberliegend ein Zahnkranz 12 zugeordnet ist. Die Zahnkränze 11, 1 2 weisen eine hohe Zähnezahl auf, wobei die Zähnezahldifferenz vorzugsweise gleich Eins ist. Bei einem derartigen Schrittmotor kann die Schrittweite entsprechend der Zähnezahl und der Anzahl der Wicklungen 9 relativ grob gewählt werden, wobei trotzdem eine sehr hohe Teilungsgenauigkeit erreicht wird. Der Pendelkörper 4 kann somit um die Drehachse 13 über den gesamten Winkelbereich voll durchgedreht und mit hoher Genauigkeit eingestellt werden. Der Schrittmotor 5 dient gleichzeitig als Winkelgeber für die Stellung des Pendelkörpers 4 bezüglich des Gehäuses 1, wobei ausgehend von einer vorgegebenen Nullstellung lediglich die Steuersignale für die Wicklungen 9 ausgezählt werden. Hierfür ist ein einfacher, hier nicht dargestellter Nullstellungsabgriff vorgesehen. Am untern Ende des Pendelkörpers 4 ist ein elektrisch ansteuerbarer Lotmagnet 16 vorgesehen, dessen als sogenannter "Trampelfuß" ausgebildeter Anker 17 sich auf einem kalottenförmigen Teil 18 des Gehäuses 1 abstützt. Es ist ersichtlich, daß somit für den kardanisch aufgehängten Pendelkörper 4 eine Loteinrichtung geschaffen ist. Ist nämlich abweichend von Fig. 1 die Hochachse 19 nicht vertikal ausgerichtet, so kann durch eine im Taktbetrieb erfolgende Ansteuerung des Lotmagneten der Anker 17 von der Kalotte abheben, mit der Folge, daß der Pendelkörper 4 sich exakt vertikal ausrichtet. Bei dieser in sehr kurzer Zeit von etwa fünf Sekunden andauernden Lotung ist es zweckmäßig, die Ansteuerfrequenz des Lotmagneten 16 etwa viermal so groß wie die Eigenfrequenz des Pendels zu wählen. Gegebenenfalls kann die Lotung auch über Lotfühler sowie durch diese gesteuerte Stellglieder, wie zum Beispiel Servomotoren oder Drehmomenterzeuger, durchgeführt werden. 130023/0268

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Innerhalb des Pendelkörpers 4 befindet sich der Präzessionsrahmen 20, welcher einen um die Spinachse 21 drehbaren Kreiselrotor 22 enthält. Der Rahmen 20 ist gegenüber dem Pendelkörper 4 bzw. Nachführrahmen mittels einer statischen Gaslagerung, enthaltend ringförmige Axial- und Radialluftspalte 24, 25, um die Ausgangs- bzw. Drehachse 13 drehbar gelagert. Zur Speisung der Lagerung ist im unteren Teil des Pendelkörpers 4 ein schematisch angedeuteter Verdichter 27 vorgesehen. Der Verdichter 27 ist mittels ringförmigen Schwingungsdämpfungselementen 28, 29 im Pendelkörper 4 abgestützt. Es ist weiterhin ein Winkelstellungsabgriff und ein Drehmomenterzeuger 30, 31 vorgesehen. Hiermit wird einerseits die Winkelstellung des Rahmens 20 bzw. der Spinachse 22 bezüglich des Pendelkörpers 4 abgegriffen und andererseits ist ein Fesselmoment um die Drehachse 13 erzeugbar zur Fesselung des Rahmens 20 an eine vorgegebene Nullstellung. Als Antrieb des Kreiselrotors 22 ist ein Motor 32, 33 vorgesehen, welcher bevorzugt als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Dieser Motor enthält an den beiden Längsseiten jeweils eine mit dem Rahmen 20 verbundene mehrphasige Statorwicklung 32, der auf dem Kreiselrotor 22 in Richtung der Spinachse 21 alternierend polarisierte Permanentmagnete 3 3 gegenüberstehen. Die erforderliche Konunutierungselektronik 34 ist oberhalb des Kreiselrotors 22 im Rahmen 20 angeordnet. Es sind ferner zwischen Pendelkörper 4 und Rahmen 20 schematisch dargestellte Stromzuführungsfedern 3 6 vorhanden. Die gesamte zur Durchführung der Nordung erforderliche Elektronik 37 einschließlich Rechner, Microprozessor und Stromversorgung ist im oberen Teil des Kreisels auf der Grundplatte 2 angeordnet, oder kann in einem separaten Gehäuse untergebracht sein.

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_j0, E-460 /18

- 7S-

Der prinzipielle Aufbau der Elektronik des Kreisels wird anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 erläutert, wobei für die oben bereits beschriebenen Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Es ist eine Stromversorgung 40 für Lotmagnet 16, Verdichter 27, Gleichstrommotor 32, Abgriff 30 sowie für eine Ansteuerelektronik 41 des Schrittmotors 5 und einen Rechner bzw. Microprozessor 42 vorhanden. Der Microprozessor 42 dient außer zur Steuerung des Nordungsvorganges und Berechnung der Winkelwerte auch zur unten näher beschriebenen Filterung von Störbewegungseinflüssen, welche beispielsweise als am Gehäuse angreifende Vibrationen auftreten. Es ist ersichtlich, daß gegebenenfalls auch eine konventionelle Rechen- und Steuerelektronik verwendet werden kann. Dem Schrittmotor 5 ist noch ein einfacher Nullstellungsabgriff für eine definierte Nullstellung des Pendelkörpers 4 zugeordnet. Der Nullstellungsabgriff ist mit dem Reset-Eingang eines Vorwärts/Rückwärts-Zählers 44 verbunden, ' auf dessen Eingänge aus der Ansteuerelektronik 41 Signale entsprechend der Schrittzahl sowie der Drehrichtung gegeben werden. Unter Berücksichtigung der Schrittweite des Schrittmotors entspricht somit der Zählerstand der Winkelstellung des Pendelkörpers. Mittels des Fesselkreises 45 wird eine Fesselung des Rahmens 20 gegenüber dem Pendelkörper 4 bzw. Nachführrahmen in eine definierte Nullstellung bewirkt. Hierbei ist im stationären Zustand der Strom des Drehmomenterzeugers ein Maß für das Fesselmoment, welches zur Kompensation des nordtreibenden Momentes aber auch von Störmomenten benötigt wird. Ein dem genannten Strom proportionales Signal wird zweckmäßig über einen Analog/Digitalwandler 46 dem Microprozessor zugeführt. Mittels eines beispielsweise quarzstabilisierten Taktgebers 47 wird der Takt für den Microprozessor 42 und die übrigen Teile der Elektronik geliefert.

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AB - E-460 / 19

Der Funktionsablauf einer Nordung sowie die hierbei durchzuführenden Steuerungs- und Rechenschritte werden nunmehr beschrieben. Durch einen externen Nordsuchbefehl wird zunächst der Kreisel eingeschaltet. Zur Lotung des Pendelkörpers 4 wird der Lotmagnet 16 mit Signalen der vierfachen Eigenfrequenz erregt und nach wenigen Sekunden ist die Ausgangs- oder Drehachse 13 exakt vertikal ausgerichtet. Nun erfolgt der Hochlauf des Kreiselrotors 21 auf Nenndrehzahl und gleichzeitig wird der Schrittmotor 5 schnell durchgedreht, damit bei überschreiten der Nullstellung der Zähler 44 gelöscht wird und nachfolgend der Zählerstand der Winkelstellung des Pendelkörpers entspricht. Es ist zweckmäßig, bereits während des Hochlaufes den Fesselkreis zu schließen. Sobald der Kreiselrotor 22 seine Nenndrehzahl erreicht hat, wird in der gerade eingenommenen ersten Stellung des Kreisels eine erste Grobmessung des Fesselmomentes M. bzw. unter Berücksichtigung des Kreiseldralls H nach der Beziehung M. =^ω. · H die Eingangs-Winkelgeschwindigkeit to gemessen. Das vom Drehmomenterzeuger ausgeübte Fesselmoment M ist dem Strom i proportional, der wiederum am Ausgang des A/D-Wandlers einen proportionalen Zahlenwert N zur Folge hat. Die Größe N ist demnach proportional zur Eingangs-Winkelgeschwindigkeit ω . Die Kenngröße K = -ττ- ist die Gesamtverstärkung des Kreisels. Sie ist näherungsweise konstant; jedoch können geringfügige Änderungen, die sich z.B. durch Temperaturänderung oder durch Alterung von Bauteilen ergibt, durch einen weiter unten beschriebenen Kalibrationsvorgang automatisch erfaßt und berücksichtigt werden.

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20" E-460 /20

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Für ^ω ₁ gilt die Beziehung:

W₁- Ο. . sin ^α _rt +D₊ ^δ W

ΙΠΟ I

Hierbei sind:

Ω _Η = 0 · cos φ Horizontalkomponente der Erdrotation

bei einer geographischen Breite φ

willkürlicher Azimutwinkel gegen geographisch Nor

D Kreiseldrift

δ uj-i Meßfehler infolge interner und exter

ner Störgrößen

Nachfolgend wird der Kreisel mittels des Schrittmotors um einen definierten Winkel von insbesondere 90° gedreht und es wird eine zweite Grobmessung durchgeführt.

(2) ω = Ω . sind ( α + 90 ) + D + δ ω

ζ η O Ι.

Bei den Grobmessungen 'werden die über den Analog/Digital-Wandler 46 dem Microprozessor 42 zugeführten Meßwerte über einen Zeitraum von jeweils einigen Sekunden regelmäßig abgefragt und aus den derart erhaltenen Einzelmeßwerten von ^ω - bzw. ^ω ₂ wird jeweils ein Mittelwert gebildet. Falls die Einzelmeßwerte, insbesondere infolge externer Storbewegungen, stark verrauscht sind, empfiehlt es sich, die Meßzeiten zu verlängern.

Falls der Schrittmotor über einen Winkelbereich von größer 360° durchdrehbar ist, kann die zweite Grobmessung nach einer positiven oder negativen Drehung durchgeführt werden, wobei }£docii^ias Vorzeichen zu beachten ist.

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Falls der Winkelbereich exakt 360° beträgt, ist es zweckmäßig, die beiden Grobmessungen derart durchzuführen, daß die zweite Grobmessung zumindest näherungsweise in der Mitte des Drehbereiches liegt.

Nunmehr wird unter Vernachlässigung der Meßfehler δ ω und δ ω _ sowie unter Berücksichtigung der Vorzeichen bzw. Drehrichtung mittels des Microprozessors 42 ein erster grober Schätzwert α für den Azimutwinkel bestimmt und zwar nach der Beziehung

~ ^D

(3) α = arc tan

O (ji

Es wird hierbei für die Kreiseldrift ein Schätzwert D eingesetzt, welcher bei der erstmals durchgeführten Nordung Null ist und bei weiteren Nordungen, wie weiter unten beschrieben, iterativ verbessert wird. Falls zu diesem Zeitpunkt die Nordung abgebrochen werden muß, steht zumindest ein erster grober Näherungswert α. des Azimutwinkels zur Verfügung.

Vom Microprozessor 42 gesteuert wird dann über die Ansteuerelektronik 41 der Schrittmotor 5 bzw. der Pendelkörper 4 um den Winkel α + 90° gedreht, so daß die Spinachse 21 grob auf die Nordrichtung ausgerichtet ist. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung erfolgt die Drehung jeweils auf dem kürzesten Weg, wobei die Drehung nach Norden oder auch nach Süden erfolgt, je nachdem, welche Stellung näher liegt. Es sei an dieser Stelle hervorgehoben, daß die grobe Ausrichtung des Kreisels gegebenenfalls auch in anderer Weise, beispielsweise mittels einer anderen Nordrichtungsreferenz, durchgeführt werden kann.

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Ist die Grobausrichtung durchgeführt, so erfolgt eine erste Feinmessung der Winkelgeschwindigkeit und es gilt die Beziehung

(4) ω = O Δ α + _D + δω

■in

Hierbei ist mit Δ α die aufgrund der üngenauigkeit der Berechnung von α und aufgrund der endlichen Schrittweite des Schrittmotors verbleibende Nordablage unter Berücksichtigung der Tatsache, daß für kleine Winkel der Sinus dem Winkelwert entspricht, und mit δ ω _ der Meßfehler bezeichnet. Im Interesse einer optimalen Störunterdrückung werden mittels des Microprozessors über einen längeren Zeitraum hinweg, wiederum Einzelmeßwerte abgefragt und gemittelt und zwar in einem Zeitraum von etwa 1 Minute. Die Einzelwerte werden zweckmäßig über Tiefpaßfilter im Microprozessor 42 geglättet, wobei die Zeitkonstante kontinuierlich anwächst. Darüber hinaus ist es sehr zweckmäßig, Einzelmeßwerte, deren Differenz zum gefilterten Mittelwert aus den vorangegangenen Werten eine vorwählbare Toleranzgrenze überschreiten, nicht zu berücksichtigen, wobei die Toleranzgrenze bevorzugt über dem Meßzeitraum abnimmt. Darüber hinaus empfiehlt es sich, die Toleranzgrenze für jeden Einzelmeßwert oder auch für eine Gruppe von Einzelmeßwerten aus der Streubreite der vorangegangenen Einzelmessungen zu bestimmen und/oder den Meßzeitraum in Abhängigkeit von der Streubreite zu verkürzen oder aber zu verlängern.

Es werden somit höherfrequente Störanteile aus den Einzelmeßwerten herausgefiltert und außerdem die Einzelmeßwerte unterdrückt, welche vom Mittelwert weit abliegen, mit der Folge, daß insbesondere einmalige Störungen wirksam unterdrückt werden. Andererseits

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kann aber auch die Nordung, falls erforderlich, bereits während der ersten Feinmessung abgebrochen werden und aus der bis dahin erhaltenen mittleren Winkelgeschwindigkeit ω die Nordrichtung mit allerdings geringerer Genauigkeit bestimmt werden.

Aus dem derart bestimmten Mittelwert ^ω , der Winkelgeschwindigkeit ^ω .. wird mittels des Microprozessors die verbliebene mechanische Nordablage Δ α bestimmt:

Λ * ^ω3 * ^D*
(5) Δα = £

Aus der Nordablage Δ α wird zusammen mit dem Signal des Schrittmotors 5 entsprechend der Winkelstellung α die Nordrichtung bestimmt.

Hierbei entsteht ein Fehler

D* - D - δ ω,

(6) δ α _, = Δ α -Δα = -—

³ Ω

Der Meßfehler δω i_st aufgrund der oben erläuterten Filterung und Mittelwertbildung während der ersten Feinmessung relativ gering. Da aber die wirkliche Kreiseldrift D von dem bisher berücksichtigten Schätzwert D infolge von Temperaturänderungen, Alterung usw. in der Regel abweicht, wird in einer bevorzugten Weiterbildung der systematische Fehleranteil Ad=D - D durch eine nachfolgende Kalibration weitgehend unterdrückt. Hierzu wird mittels des Schrittmotors 5 der Kreisel um möglichst exakt 180° gedreht. In dieser Stellung wird nunmehr eine zweite Feinmessung der Winkelgeschwindigkeit ^ω . durchgeführt, wobei wiederum die oben beschriebene Mittelwertbildung und Filterung von Einzelmeßwerten erfolgt.

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(7) ω = _ Ω · Λ α + D + δ ω

Aus den derart bestimmten Winkelgeschwindigkeiten der beiden Feinmessungen wird nunmehr die Nordablage Λ α bestimmt, unter der Voraussetzung, daß die Meßfehler δ ω und ^{δ ω} ₄ wesentlich kleiner als der Fehleranteil £ D sind, so daß die Beziehung gilt:

(U-UU

"H

Die Nordrichtung bzw. der Nordwinkel α wird nunmehr aus der Nordablage Δ α sowie der Winkelstellung des Pendelkörpers bestimmt und zwar mit einer sehr hohen Genauigkeit. Mit anderen Worten: Es wird aus den Meßwerten der beiden Feinmessungen der zeitlich konstante Fehleranteil infolge des Störmomentes berechnet und rechnerisch kompensiert.

Weiterhin wird aus den Beziehungen (4) und (7), d.h. aus den ge fil t erten Meßwerten ^ω ₃ und ^ω . zumindest näherungsweise die Kreiseldrift D bestimmt und zwar nach der Beziehung

(9) D =

Der somit erhaltene Mittelwert wird im Microprozessor 42 als neuer Schätzwert D der Kreiseldrift abgespeichert. Bei der nächsten Nordung wird mit diesem Schätzwert die Bestimmung der Nordablage nach der ersten Feinmessung entsprechend der Beziehung (5) durchgeführt.

Hierdurch wird insbesondere für den Fall, daß keine Zeit für eine zweite Feinmessung zur Verfügung steht, bereits nach der ersten Feinmessung die Nordablage entsprechend der Beziehung (5) recht genau bestimmt.

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In den oben angegebenen Beziehungen (5) und (8) wird die Horizontalkomponente der Erdrotation

Ώ „ = Ω . cos Ψ
η

benötigt. Für kleine Nordablagen genügt es bekanntlich, mit einem für das jeweilige Einsatzgebiet gültigen und auf einige Prozent genauen Mittelwert zu rechnen, wobei dieser in den Rechner bzw. Microprozessor extern einzugeben ist. In einer bevorzugten Ausführungsform wird jedoch vorgeschlagen, die Horizontalkomponente Ci näherungsweise aus den Meßwerten ω , ω der bei-

H I £

den Grobmessungen zu berechnen.

(10) .Q₁₁=IT

Hierbei wird zweckmäßigerweise für die Kreiseldrift D der nach der Beziehung (9) erhaltene Wert berücksichtigt. Darüber hinaus wird aus der derart berechneten Horizontalkomponente der Erdrotation Q „ ein Näherungswert Φ für die geographische Breite bestimmt und zwar nach der Beziehung

(11) φ = arc cos Ci

rl

Da bei den oben beschriebenen Messungen nicht direkt die Winkelgeschwindigkeiten ^ω , sondern nur die resultierenden Digitalwerte N als Ausgangsgrößen verfügbar sind, muß die Gesamtverstärkung K des Ger .es bekannt sein. Dazu wird von Zeit zu Zeit im Anschluß

an die Grobmessung die Spinachse vor der Feinmessung in zwei gegenüber Nord um vorzugsweise + 90° verdrehte Stellungen gedreht. Dabei werden die Meßwerte

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_ E-460 /26

(12) N₁. = I ( Q „ sin (Δ α +90°) + D + 6 ω,) N_c = I ( Λ „ sin (Δ α -go⁰) + D + δ ω )

O Λ Π O

erhalten. Daraus läßt sich die Verstärkung näherungs weise nach der Beziehung

TJ

(13) K = —

N₅ - N₆

berechnen, da sin (Δα +90°) = cos Δ,ο «* 1, und sin ( Δ α -90°) = - cos Δα« - 1.

Die Nordung des Kreisels erfolgt in den oben angegebenen Verfahrensschritten, wobei mittels des Schrittmotors 5 der Pendelkörper 4 und somit auch die gefesselte Kreiselspinachse 21 in die jeweils erforderliche Stellung mit hoher Genauigkeit eingestellt wird. Hierbei dient bevorzugt der Microprozessor 42 sowohl zur Steuerung der einzelnen Verfahrensschritte bzw. zur Ansteuerung des Schrittmotors 5 als auch zur Berechnung der angegebenen Winkelwerte sowie zur Filterung der während der Grob- und Feinmessungen vom Fesselmoment bzw. Winkelgeschwindigkeit erhaltenen Einzelmeßwerte.

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L e e r s e i t e

Claims

TELDIX GmbH Postfach 10 56 08
Grenzhöfer Weg 36

Heidelberg, 15. November 1979 PT-Ka/Fe.- E-460

Nordsuchender Kreisel

Patentansprüche

Nordsuchender Kreisel, enthaltend in einem Rahmen einen Kreiselmotor mit horizontal ausrichtbarer Spinachse, einen Nachführrahmen bzw. Pendelkörper, in welchem der Rahmen um eine vertikal ausrichtbare Drehachse drehbar angeordnet ist, eine Loteinrichtung zur vertikalen Ausrichtung des insbesondere mittels Kardangelenk in einem Gehäuse aufgehängten und drehbaren Pendelkörpers sowie eine Nachführeinrichtung mit einem Abgriff für die Winkelstellung des Rahmens gegenüber dem Pendelkörper und einem Stellantrieb zur Nachführung des Pendelkörpers gegenüber dem Gehäuse in Abhängigkeit des Abgriffsignales, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb als Schrittmotor (5) mit hoher

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/2 ORIGINAL INSPECTED

E-460 /2

Patentansprüche

Teilungsgenauigkeit ausgebildet ist, welcher gleichzeitig als Winkelgeber für die Stellung des Pendelkörpers (4) gegenüber dem Gehäuse dient.
2. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kardangelenk (3) fest mit dem Gehäuse (1) verbunden ist und daß der Schrittmotor (5) zwischen Kardangelenk (3) und Pendelkörper (4) angeordnet ist.
3. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor (5) als in Richtung der Drehachse flacher Taumelscheibenmotor ausgebildet ist, dessen Stator (6) mit dem Kardangelenk (3) verbunden ist und an dessen Rotor (8) der Pendelkörper befestigt ist, wobei eine Lagerung (7) für den Rotor (8) gleichzeitig die Lagerung des Pendelkörpers (4) bildet.
4. Nordsuchender Kreisel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor (5) auf Stator (6) und Rotor (8) miteinander in Eingriff stehende Zahnkränze (12, 11) aufweist, wobei der Unterschied der vergleichsweise hohen Zähnezahlen wenigstens Eins beträgt, und daß der Zahnkranz (11) im Rotor (8) in Richtung auf die Drehachse (13) nachgiebig und in ümfangsrichtung steif angeordnet ist.

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-ι _

- <-> E-460 /3 Patentansprüche
5. Nordsuchender Kreisel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Loteinrichtung einen am unteren Ende des Pendelkörpers (4) angeordneten elektrisch ansteuerbaren Elektromagneten (16) aufweist, dessen Anker (17) sich auf einem kalottenförmigen Teil (18) des Gehäuses (1) abstützt.
6. Nordsuchender Kreisel, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Schrittmotors (5) der Kreisel bzw. Pendelkörper (4) in definierte Stellungen einstellbar ist, wobei die Winkelstellung erfaßt wird, daß zur Fesselung des Rahmens (20) in eine vorgegebene Nullstellung ein Fesselkreis (45) vorgesehen ist mit einem Rahmenabgriff (30) und einem um die Ausgangs- bzw. Drehachse (13) wirkenden Drehmomenterzeuger (31), dessen Strom ein Maß für die Eingangswinkelgeschwindigkeit ( ω) darstellt, und daß aus dem oder den Meßwerten der Winkelgeschwindigkeit die Nordrichtung bestimmt wird.
7. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechnereinheit bzw. ein Microprozessor (42) vorgesehen ist, welchem Meßwerte entsprechend der Winkelgeschwindigkeit oder dem Strom des Drehmomenterzeugers (31) sowie der Winkelstellung des Pendelkörpers (4) zugeführt werden, wobei aus den genannten Meßwerten die Nordrichtung bestimmt wird.

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29A8P51

E-460 /4 Patentansprüche
8. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels des Schrittmotors (5) für den Pendelkörper (4) erreichbare Schrittweite relativ groß ist, während die Teilungsgenauigkeit bzw. die reproduzierbare Einstellgenauigkeit in der Größenordnung der angestrebten Meßgenauigkeit des Kreisels liegt.
9. Nordsuchender Kreisel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerelektronik (41) für den Schrittmotor (5) und ein Nullstellungsabgriff (43) vorgesehen ist, wobei aus den Signalen der Ansteuerelektronik (41) und des Nullstellungsabgriffs (43) die Winkelstellung bestimmt wird.
10. Nordsuchender Kreisel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeiten (^ ω ) in wenigstens zwei beliebigen, gegeneinander um insbesondere 90° verdrehten Stellungen der Spinachse (21)gemessen werden, wobei die Einstellung mittels des Schrittmotors (5) erfolgt, daß aus den Meßwerten der beiden Grobmessungen ein erster Schätzwert ( ¹A ) für den Azimutwinkel bestimmt wird und daß nachfolgend der Kreisel bzw. Pendelkörper (4) mittels des Schrittmotors (5) entsprechend dem Schätzwert ( ^α ) derart gedreht wird, daß eine Grobausrichtung der Spinachse (21) näherungsweise auf Nord erfolgt.

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E-460 " /i Patentansprüche
11. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Grobmessungen in zwei um exakt 90 verdrehten Stellungen vorgenommen werden und daß der Schätzwert ( α ) aus dem arc tan der vorzeichenrichtig eingesetzten Meßwerte ( ω ,ω ) nach der Beziehung

■κ-

α _ = arc tan

- D*

bestimmt wird, wobei für die Kreiseldrift (D ) ein vorbekannter und/oder aus weiteren Messungen berechenbarer Wert verwendet wird.
12. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrittmotor (5) über einen endlichen Winkelbereich von gleich oder größer 360° durchdrehbar ist und daß die zweite Grobmessung zumindest näherungweise im Bereich der Mitte des Winkelbereiches durchgeführt wird.
13. Nordsuchender Kreisel nach einem der Ansprüche bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Grobmessungen jeweils über einen vorwählbaren Zeitraum von wenigen Sekunden durchgeführt werden, wobei jeweils eine Anzahl von Einzelmeßwerten regelmäßig abgefragt werden, und aus diesen durch Filterung und/oder Mittelwertbildung die Meßwerte O)₁, und ω „ bestimmt werden.

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— (ρ _ Ε-460 /6

Patentansprüche
14. Nordsuchender Kreisel nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Win' kelgeschwindigkeiten ( ^ω ₁, ^ω ₂) ein Näherungswert der Horizontalkomponente der Erdrotation Ω „ nach der Beziehung

Ω_Η = / (W₁-D-)² +

bestimmt wird.
15. Nordsuchender Kreisel nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Grobausrichtung die Spinachse (21) mittels des Fesselkreises in dieser Stellung festgehalten wird, daß in einer ersten Feinmessung die Winkelgeschwindigkeit (ω ) gemessen wird und daß hieraus die Nordablage Δ α nach der Beziehung

_A
Δα

ω
H

bestimmt wird, wobei für die Kreiseldrift (D*) ein vorbekannter und/oder aus weiteren Messungen berechenbarer Wert verwendet wird und die Horizontalkomponente ( Λ „) der Erdrotation eingesetzt wird.

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"Γ- Ε-460 /7

Patentansprüche
16. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinmessung in einem längeren, vorwählbaren Zeitraum durchgeführt wird, wobei eine Anzahl von Einzelmeßwerten regelmäßig abgefragt wird und aus diesen durch Filterung und/ oder Mittelwertbildung der Meßwert ( ^ω^) bestimmt wird.
17. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmeßwerte über ein Tiefpaßfilter geglättet werden.
18. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters kontinuierlich oder schrittweise anwächst.
19. Nordsuchender Kreisel nach einem der Ansprüche bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Einzelmeßwerte, deren Differenz zum gefilterten Mittelwert aus den vorangegangenen Werten eine vorwählbare Toleranzgrenze überschreiten, unberücksichtigt bleiben.
20. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Toleranzgrenze während des Meßzeitraumes verringert wird.

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Patentansprüche
21. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Toleranzgrenze für jeden der Einzelmeßwerte oder für jeweils eine Gruppe von Einzelmeßwerten aus der Streubreite der vorangegangenen Einzelmeßwerte bestimmt wird und/oder daß der Meßzeitraum in Abhängigkeit der Streubreite verändert wird.
22. Nordsuchender Kreisel, insbesondere nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchführung der ersten Peinmessung die Spinachse (21) bzw. der Pendelkörper (4) mittels des Schrittmotors (5) um einen definierten Winkel von insbesondere 180° gedreht wird, daß anschließend in einer zweiten Feinmessung die Winkelgeschwindigkeit ( ^ω.) gemessen wird, und daß aus den Meßwerten der beiden Feinmessungen der zeitlich im wesentlichen konstante Anteil der Störmomente bestimmt und gespeichert wird.
23. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 22 und wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß auch bei der zweiten Feinmessung eine der ersten Feinmessung entsprechende Filterung und/oder Mittelwertbildung durchgeführt wird.

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E-460 /9 Patentansprüche
24. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Winkelgeschwindigkeiten (ω ^, ω J die Nordablage Δα nach der Beziehung

ω - ω .

Δα ₌ 3 4

2 · Λ

bestimmt wird, wobei die Horizontalkomponente der Erdrotation ( ^ „) berücksichtigt wird.
25. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Winkelgeschwindigkeiten (^ω ₃/ ^ω α) zumindest näherungsweise die Kreiseldrift δ nach der Beziehung

bestimmt wird, und daß bei einer nachfolgenden Nordung die gespeicherte Kreiseldrift D sowohl bei der Grobmessung als bei der Feinmessung als a priori Schätzwert D berücksichtigt wird.
26. Nordsuchender Kreisel nach einem der Ansprüche bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Microprozessors die Steuerung des Nordungsablaufes und/oder die Ansteuerung des Schrittmotors (5) und/oder die angegebenen Berechnungen und/oder die Filterung von Einzelmeßwerten durchgeführt werden.

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27. Nordsuchender Kreisel nach einem der Ansprüche 7 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Berechnung des Nordwinkels Ή die Spinachse (21) nacheinander in eine oder mehrere, insbesondere um +90° und/oder -90° gegenüber Nord verschobene Richtungen gedreht und dabei die Änderung Δ Ν des vom A/D-Wandler (46) gelieferten Ausgangswertes N bestimmt wird.
28. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß aus der gemessenen Größe Δ Ν und der Änderung Δ ω der auf den Kreisel wirkenden Komponente der Erddrehung die Gesamtverstär-

ω
kung K - -n, des Kreisels, die den Zusammenhang zwischen einer von außen einwirkenden Winkelgeschwindigkeit ω und dem Digitalwert N , welcher sich nach A/D-Wandlung aus dem resultierenden Strom i des Drehmomenterzeugers (31) ergibt, nach der Beziehung

Δ ω

^{K =} λ

Δ Ν

berechnet wird.
29. Nordsuchender Kreisel nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung bezogen auf die Grobmessung nacheinander exakt in die

Stellungen & _ = 90° -« und α , = ^α _e + 180° j O 6 5 —

erfolgt, daß die diesen Stellungen entsprechenden Ausgangsgrößen N₅ und N_g gemessen werden, und daß die Kenngröße K nach der Beziehung

²⁰ H K= ^H

N _ N
5 6

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berechnet wird.

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