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"Richtungskreisel" In der Navigationsteohnilc finden zwei Arten von
Richtungskreiaeln Verwendung : Der Kurskreisel und der nordsuchende oder Kompasakreisel.
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In Fig. 1 der anliegendon Zeichnung ist in Kurskreisel bekannter Bauform
dargestellt. Er iat in zwei Kardanrahmen golagart und la Schwerpunkt unterstützt.
Dadurch ist er bestrebt, seine Lage im Inertialraum beizubehalten. Die Relstivewegung
gegenüber der rotierenden Erde wird einmal durch e1n konstantes Moment, angedoutat
durch ein auf der Spinachee angebrachtes "Nordgewicht" N, das eine Präzession W
p, const um die vertikale Aohas hervorruft, und zum anderen durch don in Fig. 1
dargeatellten Regelkreis basaitigt, der Ablagen der Spinaches aus der Horizontalen
durch don Meßwertgeber 11 ormittelt und das so gewonnene Meßsignal iber sinon Verstärker
12 auf einen Drehmomentgeber (Torquer) an der äu#ersten Rahmenschse einwirken lässt.
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Die Ablago der Spinaohae auz der Horzizontalen kann beispielsweise
mit einer Libelle als Me#fühler gemessen werden. Dam von dem Torquer 13 an Xr äu#ersten
Rahmenachse
ersougt Drehmonment verursacht ein senkrechtes Ausweichen
don Kreisels, wodurch er auf dem kürzesten Weg in seine Sollage (Horl zontallage)
zurückpräzediert. Diese Verhältniese sind in Fig. 1 durch den Wirkungspfeil zwischen
äu#erer und mittlerer Rahmenachse angedeutet. Ein aolcher Kurakreiael ka= mit veiner
Spinaches nach jeder beliebigen Himmelariohtung auageriohtet werden und behält dieae
Richtung bei, aofern iu8ero Störungen wie Reibung, Vibration, Schrägstellung des
Kreisels uaw, nicht su einer unkontrollierbaren auswandarung führer. Bine aolcheAuawandrungerfordertbeilängerem
Betrieb von Zeit zu Zeit eine Neuauariohtung der Spinachae.
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Beispielsweise kann der Kurskreisel mittels eines nordsuchendon Kreiaela
in bestimmten Zeitabständen jeweils in die Nordrichtung geführt wsrden.
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Einen solchen nordauchenden-oder Kompaeakreiael zeigt die Fig. 2 der
anliegenden Zeichung. Er beaitzt abonfalle alle Freiheitsgrade der Drehbewegung
und kann in zwei Kardanrahmen aufgehängt sein. Im Gegensatz zum Kurskreisel ist
er nicht im Schwerpunkt unteratützt. Aufgrund der Erddrehung hat die Spinachat das
Bestreben, die Horizontallage au verlaaaen, was durch das Schwerkraftmoment M. in
Fig. 2 angedeutet iat. Es handelt sich um ein reines Schwerkraftmoment Ms um die
mittlere Drehachse, auf das der Kreisel senkrecht ausweicht und da8 eine Präzession
# p um die äu#ere Rahmanachse hervorruft. Die Verkopplung der beiden Achaendrehungen
iat durch die gestricholte Wirkungslinie zwischen mittlerer und àu#erer Rahmenachse
angedeutet.
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Hunter Vernachlässigung der Reibungseinflüsse führt das System don
nordsuchenden Kreiselseine ungedämpfte Schwingung um die Nordrichtung aus, deren
Frequenz von der Lage des Schwerpunktes abhängtt Eine Dämpfung kann künstlich in
Form einer Flüssigkeitsdämpfung vorgegeben werden. Frequen% und Dämpfung liegen
somit fest. Das kann nachteilig sein. Einerseits ist eine hohe
roquent
fiir ein schnelles Einstellen in die Nordrichtung erforderlich, andererseits ergibt
sich eine hohe Störanfälligkeit bei kurzzeitigen Beschleunigungen. Einer Anpassung
an verschieden störanfällige Betriebsphasen, z. B.
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Stand und Fa@rt wiederspricht die Vorgabe einer festen Frequenz.
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Der derzeiti#e Stand der Technik bezüglich der Anwendung von Richtungskrelseln
ist die Verwendung sowohl von Kurs- als auch von norlauchenden Kreisel #m Parallelbetrieb.
Dies geschieht in der Weise, daß bei Fahrt eines Landfahrzeuges der Kurskreisel
den Nordkura im Rahmen seiner Driftgenauigkeit hält, während der beschleunigungsempfindliche
nordsuchende Krweisel abgeschaltet ist. Bei Stillstand des Fahrzeuges wird der nordsuchenda
Kreisel eingeschaltet und stützt soda jeweils tuber einen Regelkreis den Kurskreisel
neu in die Nordrichtung.
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Fin solches Zwei- Kreiselgerät #st sehr teuer und besitzt einen gro#en
Raumbedarf.
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Gemä# der Er@indung werden vorstehende Nachteile bei einem Richtungskre@sel
mit kardanlscher aufhängung in einem Zweirahmenaystem und einem, Ablagen der Spinaohse
aus der Horizontalen messenden Me#wertgeber, dadurch vermieden, da# sowohl an der
mittleren als auch an der äußeren Kardanrahmenaches Drehmonentgeber angeordnet @ind,
die von dem vom MeBo wertgeber gelieferten Signal über Verstärker angesteuert werden.
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Anhand der Fig. 3 der anliegenden Zeichnung, die don Richtungskrelsel
nach der Erfindung zeigt und der Fig. 4, die das dem Kreiselsystem entsprechende
regelungstechnische Strukturbild zeigt, eoll die Erfindung im folgenden näher beschrieben
werden.
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In der Fig. 3 kann man sich den Kreisel zunächst grundsätzlich al@
Kurskreisel vorstellen, dessen Spinachse horizontal gerichtet ist und der in einer
Zweirahmenanordnung oh aufgehängt ist.
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In be-kannter Weise wird die Ablage der Spinachse α aus der
Horizontalem gemeeaen, die nur in ausgezeichneten Fällen mit dam Längsnei gungs
winkel # übereinstimmt. Sie wirkt, gegebenenfalls durch einen Verstärker 34 verstärkt,
auf den mit der äußeren Rahmenachse gekippelten Torquer 35, dessen Drehmoment seinerseits
eine Präzessionsbewegung # p um die mittlere Ratmenaohae bewirkt. Das an der mittleren
Rahmenache wirkende Präzessionsmoment führt die Spinachse wieder in die Horizontale
zurück.
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Soweit die Inordnung bis hierhin beschrieben wurde, handelt os mich
us den bekannten Kurskreisel.
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Um dem Richtungskreisel, und zwar einem einzigen Kreisel, zusätzlich
auch nordsuohendes Verhalton zu gebon, wird durch die Erfindung vorgeschlagen, die
gemessene Ablage α aus der Horizontalen ale Me#signal, gegebenenfalls durch
einen Verstärker 33 verstärkt, auf einen zusätzlichen mit der mittleren Rahmenachee
gekoppelten Torquer 32 wirken su lassen. Das so ersougte Drehmoment um die mittlere
Rahmenachse bewirkt, wie durch aie gestrichelte wirkungslinie angedeutet, eine Rräzessionsbewegung
# p um die äu#erste Rahmenachse, wodurch die Spinachse ic Nordrichtung präzediert.
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Durch Wahl des Verstärkungsfaktors oder durch Vorgabe eines Zeitverhaltens
durch entsprechende Beschaltung der Verstärker 33, 34 kann das dynamische Verhalten
des Kreisels optimal gestaltet werden.
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Um dies näher zu erläutern, zei die fig. 4 der anliegenden Zeichnung
der Regelungstechnik
gebräuchliche Strukturbild don vorliegenden
Kreiselsystems z*igt. Denkt man sich die proportionalglieder K1, K2 zunächst hinweg,
so beschreibt der vorliegende Regelkreis die kegelmantelförmige Bewegung, die der
inertial raum feste, ungestätzte und reibungafreie Kreisel gegenüber der rotierenden
Erde beeahroibt. Regelungstechnisch gesohen liogt ein uniedämpftes VZ2 - Glied vor.
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Das Proportionalglied K2 orhbht die Froquens dieeer Schwingung, wobei
die Verstärkung von K 2 aehr gro9 gegenüber eo, α zu wählen ist. Das Proportionalglied
K1 dämpft die AMplitude dieser Schwingung in vorgebbarer weiae, a. B. auf don aperiodischen
Grenzfall. Um das dynamische Verhalten noch weiter zu verbessern, können die Proportionalglieder
K1, K2 noch durch geeignete Netzwerke ein Zeitverhalten bekommen.
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Inageaamt geaehen bietet dio voratehend beaohriebene Anordnung des
Richtungskreisels nach der Erfindung einige wesentliche Vorteile gegenüber dem bekannten
Stand der Technik.
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Aus einem einzigen, beispielsweise handelsüblichen Kurskreisel kann
durch eine zusätzliche Regelschleife ein nordsuchender Kreisel gemacht werden. Durch
Auftrennen bzw. Schlie#en der zusätzlichen Regelschleife kann ein Verhalten als
Kurs- bzw. nordauchender Kreisel vorgegeben werden. Infolge aur ointes einzigen
rotierenden Systems, ergibt zich eine raum-einsparung und preisliche Vorteile, Ein
weiterer Vorteil der erfinderiaohen Anordnung tat darin su sehen, da# das dynamische
Verchalten don nordsuchenden Kreisels durch Variation der verstärkungon der Regelschleifen
den gestellten Anforderungen bezüglich Schnelligkeit, genauigkeit und Störempfindlichkeit
optimal angepasst werden kann, auch wenn diese sich während des Betrias