AT514011A2 - Kardanische Aufhängung für einen Sensor - Google Patents

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AT514011A2
AT514011A2 ATA50306/2014A AT503062014A AT514011A2 AT 514011 A2 AT514011 A2 AT 514011A2 AT 503062014 A AT503062014 A AT 503062014A AT 514011 A2 AT514011 A2 AT 514011A2
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gimbal
axis
rotation
sensor
rolling ring
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ATA50306/2014A
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Borcke-Morawitz Peter Dr Von
Stefan Morawitz
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Dynamic Perspective Gmbh
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Abstract

Um eine kardanische Aufhängung für einen Sensor mit einer äußeren und einer inneren kardanischenAufhängung zu realisieren, die es ermöglicht Vibrationen in einem breiten Frequenzbandzu stabilisieren, ohne den Sensor bzw. den Sensor mit Aufhängung statischauswuchten zu müssen, ist für zumindest einen Antrieb einer äußeren Drehachse (11, 15)der äußeren kardanischen Aufhängung (30) ein Direktantrieb (12, 18) vorgesehen und fürzumindest einen Antrieb einer inneren Drehachse der inneren kardanischen Aufhängung(31) ein verstärkter Piezoaktor (34, 35) vorgesehen, wobei die äußere kardanische Aufhängung(30) und die innere kardanische Aufhängung (31) als mechanisch steife Konstruktionausgeführt sind, die Vibrationen in einem zu stabilisierenden Frequenzband im Wesentlichenungedämpft überträgt.

Description

DP-3601 AT
Kardanische Aufhängung für einen Sensor
Die gegenständliche Erfindung betrifft eine kardanische Aufhängung für zumindest einen an einer Sensorhalterung angeordneten Sensor mit einer äußeren kardanischen Aufhängung mit einer Anzahl von Freiheitsgraden und einer an der äußeren kardanischen Aufhängung angeordneten inneren kardanischen Aufhängung mit einer Anzahl von Freiheitsgrade, wobei jeder Freiheitsgrad durch eine Drehachse ausgebildet ist und jede Drehachse durch einen Antrieb angetrieben ist.
Zum Befestigen von Sensoren, wie z.B. Videokameras, Fotoapparaten, Infrarotsensoren, etc., an Fahrzeugen, wie z.B. Flugzeugen, Hubschraubern, land- oder wassergebundenen Fahrzeugen, etc., werden oftmals kardanische Aufhängungen verwendet. Hierzu wird der Sensor an der kardanischen Aufhängung angebracht, die wiederum an einem Teil des Fahrzeugs befestigt ist. Kardanische Aufhängungen erlauben eine Bewegung des Sensors um eine Anzahl von Achsen, in der Regel eine Rollachse (Roll), eine Gierachse (Yaw) und eine Nickachse (Pitch). Hierbei können auch mehrere Rollachsen, Gierachsen oder Nickachsen vorhanden sein. Dazu werden die vorhandenen Achsen konstruktiv ineinander geschachtelt, um eine Bewegung des Sensors um alle vorhandenen Achsen zu ermöglichen. Für eine aktive Bewegung um die vorgesehenen Achsen können einzelne oder alle Achsen auch angetrieben sein. Das ermöglicht es, den an der kardanischen Aufhängung befestigten Sensor durch aktive Steuerung der Achsen beliebig (innerhalb der Bewegungsgrenzen) zu positionieren bzw. auszurichten. Das ist insbesondere wichtig, wenn der Sensor während der Bewegung des Fahrzeuges auf einen bestimmten Punkt ausgerichtet bleiben muss. Oftmals werden die inneren Achsen zur Feinpositionierung und die äußeren Achsen zur Grobpositionierung des Sensors genutzt. Eine solche kardanische Aufhängung geht z.B. aus der US 7,561,784 B2 hervor. Während der Bewegung des Fahrzeugs werden aber auch Vibrationen in die kardanische Aufhängung eingebracht. Ein Sensor auf einer kardanischen Aufhängung muss für eine ordnungsgemäße Funktion von diesen Vibrationen entkoppelt werden bzw. muss die Position des Sensors (bzw. dessen Ausrichtung) bzgl. der Vibrationen stabilisiert werden. Bei einem Sensor, der auf einer kardanischen Aufhängung gelagert ist und an einem Hubschrauber angebracht ist, würden schon Vibrationen von wenigen Winkelsekunden eine signifikante Abweichung von der angepeilten Position bewirken, insbesondere wenn der Sensor sehr weit von der angepeilten Position entfernt ist. Z.B. könnten ohne solche Vibrationsstabilisierung mit einer Videokamera aufgrund solcher Vibrationen keine stabilen Bilder aufgenommen werden. Daher wurde schon viel Aufwand in Systeme zur Vibrationsstabilisierung von kardanischen Aufhängungen gesteckt. 2 /181
DP-3601 AT
Um Vibrationen vom Sensor fernzuhalten, wurden schon kardanische Aufhängungen vorgeschlagen, bei denen eine innere kardanische Aufhängung in einer äußeren kardanischen Aufhängung vibrationsentkoppelt gelagert ist, wie z.B. in der US 5,897,223 A gezeigt. Hier ist eine innere kardanische Aufhängung in einer federgelagerten Schale angeordnet, wobei die federgelagerte Schale in der äußeren kardanischen Aufhängung gelagert ist. Die innere kardanische Aufhängung ist an einem kardanischen Aufhängungspunkt in der Schale befestigt. Durch die federgelagerte Schale wird die innere kardanische Aufhängung vom der äußeren kardanische Aufhängung vibrationsentkoppelt. Das bedingt aber, dass die innere kardanische Aufhängung an deren Aufhängung statisch exakt ausgewuchtet angebracht ist. Eine Änderung oder ein Austausch des Sensors ist damit nicht mehr ohne weiteres möglich, da hierzu zuerst die Aufhängung der inneren kardanischen Aufhängung erneut statisch ausgewuchtet werden muss.
In der US 7,812,507 B2 ist eine kardanisch gelagerte Kamera gezeigt, bei der die kardanische Aufhängung durch einen piezoelektrischen Motor angetrieben wird. Ein piezoelektrischer Motor ist bekanntermaßen ein Motor, bei dem eine Schwingung eines, oder mehrerer, piezoelektrischen Elementes in eine Bewegung eines beweglichen Teils, beispielsweise eine Linearbewegung, umgewandelt wird. Im Falle der US 7,812,507 B2 wird die Schwingung einer dreidimensionalen piezoelektrischen Einheit genutzt, um über Reibung eine kugelförmige, kardanisch gelagerte Kameraaufnahme zu bewegen. Diese Bewegung wird auch benutzt, um Vibrationen auszugleichen. Hier erfolgt also eine direkte Stabilisierung der Kameraaufnahme gegenüber äußerer Vibrationen. Mit einem solchen piezoelektrischen Motor können allerdings aufgrund der beschränkten erzeugbaren Drehmomente nur geringe Lasten und nur mit schlechter Dynamik bewegt werden. Schnelle ausgleichende Bewegungen, die für die Stabilisierung von Vibrationen höherer Frequenz erforderlich sind, lassen sich damit nicht realisieren, insbesondere nicht für Lasten mit größerem Gewicht.
Es ist eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, eine kardanische Aufhängung für einen Sensor anzugeben, die es ermöglicht Vibrationen in einem breiten Frequenzband zu stabilisieren, ohne den Sensor bzw. den Sensor mit Aufhängung statisch auswuchten zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem für zumindest einen Antrieb der äußeren Drehachsen der äußeren kardanischen Aufhängung ein Direktantrieb vorgesehen ist und für zumindest einen Antrieb der inneren Drehachsen der inneren kardanischen Aufhängung ein verstärkter Piezoaktor, wobei die äußere kardanische Aufhängung und die innere kardanische Aufhängung als mechanisch steife Konstruktion ausgeführt sind, die Vibrationen in einem zu stabilisierenden Frequenzband im Wesentlichen ungedämpft überträgt. Diese Kombination aus Direktantrieb an einer äußeren Drehachse und verstärktem Piezoaktor an einer inneren Drehachse und die mechanisch steife Konstruktion ermöglicht es, den Sensor auch 3 / 182'
DP-3601 AT ohne statischer Auswuchtung hochdynamisch zu positionieren und gegenüber Vibrationen in einem breiten Frequenzband zu stabilisieren. Damit ist die kardanische Aufhängung sehr flexibel ersetzbar, da Sensoren einfach getauscht werden können, da diese nicht mehr ausgewuchtet werden müssen. Vorzugsweise sind alle Drehachsen der äußeren kardanischen Aufhängung mit Direktantrieben ausgeführt und alle Drehachsen der inneren kardanischen Aufhängung mit verstärkten Piezoaktoren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen kardanischen Aufhängung ergeben sich aus den Unteransprüche und aus der nachfolgenden Beschreibung.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig. 1 die Anordnung einer erfindungsgemäßen kardanischen Aufhängung an einerm Fahrzeug,
Fig.2 und 3 verschiedene Ansichten einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen kardanischen Aufhängung,
Fig.4 die Regelungseffizienz der erfindungsgemäßen kardanischen Aufhängung und Fig.5 das Regelschema der erfindungsgemäßen kardanischen Aufhängung.
Fig.1 zeigt beispielhaft einen Hubschrauber als Fahrzeug 1, an dem eine kardanische Aufhängung 2 mit einem daran befestigten Sensor 3, z.B. in Form einer Videokamera, befestigt ist. Natürlich könnten auch mehrere Sensoren 3 an der kardanischen Aufhängung 2 befestigt sein. Der Sensor 3 ist über die kardanische Aufhängung 2 um eine Rollachse y, eine Nickachse x und eine Gierachse z am Fahrzeug verdrehbar gelagert aufgehängt. Der Sensor 3 kann durch Verschwenken um die Achsen (innerhalb der möglichen Bewegungsgrenzen) auf einen bestimmten Punkt P im Raum ausgerichtet werden, wie in Fig.1 angedeutet. Die kardanische Aufhängung 2 dient einerseits zur genauen Ausrichtung des Sensors 3 auf den gewünschten Punkt P während der Bewegung des Fahrzeugs 1 und andererseits zur Stabilisierung des Sensors 3 gegenüber allfälligen Vibrationen, die durch die Bewegung des Fahrzeugs 1 oder durch das Fahrzeug 1 selbst, z.B. von dessen Antriebsaggregaten, hervorgerufen werden. Stabilisieren des Sensors 3 bedeutet hier, dass durch Vibrationen hervorgerufene Bewegungen des Sensors 3 in einem breiten Frequenzband, insbesondere im Bereich von 1 Hz bis 150Hz, ausgeglichen werden, sodass die Ausrichtung des Sensors 3 auf den Punkt P innerhalb eines Toleranzbereichs nicht gestört wird. Das erfordert eine hohe Dynamik (Beschleunigungsrate) der Aktuatoren der kardanischen Aufhängung 2 und eine hohe Winkelgenauigkeit der Aktuatoren. Allfällig notwendige Sensoren, wie Winkelgeber an den Achsen, Gyroskope oder Beschleunigungssensoren zur Erfassung von Positionen, Ge- 4/183'
DP-3601 AT schwindigkeiten oder Beschleunigungen, müssen natürlich ebenfalls die Genauigkeitsanforderungen erfüllen.
Nimmt man als Beispiel eine Videokamera mit einer HD Bildauflösung von 1920x1080 Pixel als Sensor 3 und fordert man bei einer Videoaufnahme eines Objekts während der Bewegung des Fahrzeugs 1 bei einer Objektdistanz zum Sensor 3 von 100m und einer Bilddiagonalen von 5m einen maximalen Fehler von 1 Pixel, muss eine Winkelgenauigkeit von <0,003° erzielt werden. Das ganze muss bei hohen Traglasten gewährleistet werden, z.B. können Videokameras mit Objektiv durchaus ein Gewicht von 10kg und die kardanische Aufhängung 2 ein Eigengewicht von 10kg erreichen, und es sollen dabei hohe Beschleunigungskräften durch die Bewegung des Fahrzeugs 1 möglich sein. Die Anforderungen an die kardanische Aufhängung 2 und dessen Aktuatorik sind folglich herausfordernd.
Diese Genauigkeit wird durch das erfindungsgemäße Design der kardanischen Aufhängung erreicht, wie nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben wird.
Die kardanische Aufhängung 2 nach Fig.2 ist als fünfachsige kardanische Aufhängung 2 ausgeführt, mit einer äußeren kardanischen Aufhängung 30 und einer inneren kardanischen Aufhängung 31, die an der äußeren kardanischen Aufhängung 30 angeordnet ist. Fünfachsig bedeutet natürlich fünf Freiheitsgrade der kardanischen Aufhängung 2, wobei jeder Freiheitsgrad durch eine Drehachse ausgebildet ist.
An einem Befestigungsteil 10, mit dem die kardanische Aufhängung 2 am Fahrzeug 1 befestigt werden kann, ist eine erste äußere Drehachse 11, hier eine Gierachse, vorgesehen. Dazu ist ein starrer Haltebügel 13 um die erste äußere Drehachse 11 drehbar am Befestigungsteil 10 gelagert. Der Haltebügel 13 wird mittels eines Gier-Direktantriebs 12 relativ zum Befestigungsteil 10 verdreht.
Bei einem Direktantrieb ist der Elektromotor direkt mit dem angetriebenen Teil verbunden, insbesondere ohne Zwischenschaltung eines Getriebes oder anderer Übertragungsmittel, wie Riemen, etc. Direktantriebe zeichnen sich, bei sehr kompaktem Design, durch eine sehr hohe spezifische Energiedichte (verfügbare Energie bezogen auf die Masse des Direktantriebes) und sehr hohe erzielbare Genauigkeiten hinsichtlich der Regelung der Winkellage aus. Der Direktantrieb kann so ausgeführt sein, dass der Stator des Elektromotors an einem ortsfesten Bauteil angeordnet ist und der Rotor des Elektromotors an einer Drehwelle. Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig.2 könnte der Stator somit am Befestigungsteil 10 angeordnet sein und der Rotor des Direktantriebs 12 an einer drehbar gelagerten Drehwelle -4- 5/18
DP-3601 AT 14, an der der Haltebügel 13 drehtest befestigt ist. Auf diese Weise kann der Haltebügel 13 direkt vom Elektromotor des Direktantriebs 12 verdreht werden.
Am Haltebügel 13 ist eine zweite äußere Drehachse 15, hier eine erste Nickachse vorgesehen, an der ein äußerer Rollring 16 um die zweite äußere Drehachse 15 verschwenkbar gelagert angeordnet ist. Hierzu ist eine erste Nickwelle 17, an der der äußere Rollring 16 drehtest befestigt ist, zur Ausbildung der zweiten äußeren Drehachse 15 drehbar im Haltebügel 13 gelagert. Am Haltebügel 13 ist an der zweiten äußeren Drehachse 15 weiters ein Nick-Direktantrieb 18 angeordnet, mit dem der äußere Rollring 16 gegenüber dem Haltebügel 13 um die zweite äußere Drehachse 15 verdreht werden kann.
Die erste äußere Drehachse 11 und die zweite äußere Drehachse 15 sind bevorzugt als Welle bzw. Wellenzapfen und zugehöriger Lagerung, z.B. in Form eines Wälzlagers, ausgeführt.
Im äußeren Rollring 16 ist ein innerer Rollring 19 um die Rollachse y verdrehbar gelagert angeordnet, beispielsweise mittels eines konzentrischen Wälzlagers. Äußerer Rollring 16 und innerer Rollring 19 sind hierzu vorteilhaft konzentrisch ineinander geschachtelt.
Am äußeren Rollring 16 ist ein Rollantrieb 20, z.B. wieder ein Direktantrieb oder ein Servomotor, angeordnet, der den inneren Rollring 19 gegenüber den äußeren Rollring 16 verdreht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel treibt der Rollantrieb 20 eine erste Riemenscheibe 21 an und der innere Rollring 19 dient gleichzeitig als zweite Riemenscheibe. Um die erste und zweite Riemenscheibe ist ein Riemen 22 geführt. Der innere Rollring 19 hat hier an seiner äußeren Umfangsfläche zur Ausbildung einer Lauffläche 23 für den Riemen 22 eine radiale Abstufung. Die erste Riemenscheibe 21 kann aber auch unmittelbar durch den Rotor eines Direktantriebes gebildet werden.
Die äußere kardanische Aufhängung 30 kann aber natürlich auch mit weniger Drehachsen und/oder mit einer anderen Anordnung der Drehachsen ausgeführt sein. Denkbar wäre z.B. eine äußere kardanische Aufhängung 30 bei der die Rollachse y zwischen der ersten äußeren Drehachse 11 in Form einer Gierachse und der zweiten äußeren Drehachse 15 in Form einer Nickachse angeordnet ist. In diesem Fall könnte der Haltebügel 13 als ringförmiger Haltebügel ausgeführt sein, der die Funktion des äußeren Rollringes übernimmt. Der innere Rollring 19 wäre dann konzentrisch im ringförmigen Haltebügel angeordnet. Die zweite äußere Drehachse 15 wäre zwischen inneren Rollring 19 und einem Verbindungsring zur inneren kardanischen Aufhängung 31 angeordnet. Die innere kardanische Aufhängung 31 wäre dann am Verbindungsring angeordnet. Der Rollantrieb 20 wäre dann ebenfalls am Haltebügel 13 angeordnet. 6/185'
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In der äußeren kardanischen Aufhängung 30 kann aber auch nur eine Drehachse, z.B. nur die zweite äußere Drehachse 15, vorgesehen sein. In diesem Fall wäre beispielsweise der Haltebügel 13 starr mit dem Befestigungsteil 10 verbunden.
Die innere kardanische Aufhängung 31 ist an einem Teil der äußeren kardanischen Aufhängung 30 angeordnet, insbesondere am innersten beweglichen Teil der äußeren kardanischen Aufhängung, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel am inneren Rollring 19, oder auch am Verbindungsring bei Umkehr der Rollachse y und der zweiten äußeren Drehachse 15.
Im inneren Rollring 19 ist eine erste innere Drehachse 24, hier eine zweite Nickachse, vorgesehen. Ein Zwischenring 25 ist hierzu um die erste innere Drehachse 24 verschwenkbar am inneren Rollring 19 gelagert angeordnet. Der Zwischenring 25 ist hier über ein Nickgelenk 26 mit dem inneren Rollring 19 verbunden.
Am Zwischenring 25 ist eine zweite innere Drehachse 27, hier eine zweite Gierachse, vorgesehen. Eine Sensorhalterung 28 ist hierzu um die zweite innere Drehachse 27 verschwenkbar am Zwischenring 25 gelagert angeordnet. Die Sensorhalterung 28 ist hier über ein Giergelenk 29 mit dem Zwischenring 25 verbunden. In der Sensorhalterung 28 ist ein Sensor 3 befestigt, z.B. wie hier eine Videokamera mit Objektiv.
Die erste innere Drehachse 24 und die zweite innere Drehachse 27 sind bevorzugt wieder als Welle bzw. Wellenzapfen und zugehöriger Lagerung, z.B. in Form eines Wälzlagers, ausgeführt.
Die Verschwenkung um die erste innere Drehachse 24, hier eine Nickachse, und die zweite innere Drehachse 27, hier eine Gierachse, wird jeweils durch verstärkte erste und zweite Piezoaktoren 34, 35 bewirkt, wie in Fig.3 deutlicher dargestellt. Verstärkte Piezoaktoren 34, 35 sind Aktoren, die die möglichen sehr kleinen Bewegungen (Dehnungen) von Piezoaktoren in große Bewegungen übersetzen. Verstärkte Piezoaktoren 34, 35 zeichnen sich aus durch hohe Genauigkeit, große Kraft (Drehmoment), hohe Bandbreite und kompakte Baugrösse für Stellwege bis zu 1mm. Solche verstärkte Piezoaktoren 34, 35 sind hinlänglich und in verschiedenen Ausführungen bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird.
Im in Fig.3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils ein Piezoaktorpaar für das Ver-schwenken um eine Drehachse vorgesehen, nämlich zweite Piezoaktoren 34 für die zweite innere Drehachse 27 und erste Piezoaktoren 35 für die erste innere Drehachse 24. Selbstverständlich könnten pro Drehachse aber auch mehr oder weniger Piezoaktoren 34, 35 vorgesehen sein. -6- 7/18
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Die ersten Piezoaktoren 35 für die erste innere Drehachse 24 sind einerseits am inneren Rollring 19 und andererseits an der Sensorhalterung 28 angeordnet. Hierzu sind an der Sensorhalterung 28 erste Auflager 32 vorgesehen, mit denen die ersten Piezoaktoren 35 gelenkig verbunden sind. Wird der erste Piezoaktor 35 betätigt (angedeutet durch den Doppelpfeil) bewirkt das ein Verschwenken der Sensorhalterung 28 um die erste innere Drehachse 24. Die beiden ersten Piezoaktoren 35 in Fig.3 müssen hierbei natürlich gegengleich arbeiten.
Die zweiten Piezoaktoren 34 für die zweite innere Drehachse 27 sind einerseits am inneren Rollring 19 und andererseits an der Sensorhalterung 28 angeordnet. Hierzu sind an der Sensorhalterung 28 zweite Auflager 33 vorgesehen, mit denen die zweiten Piezoaktoren 34 gelenkig verbunden sind. Die zweiten Auflager 33 sind dabei um einen bestimmten Winkel, vorzugsweise um 90°, gegenüber den ersten Auflagern 32, versetzt angeordnet. Wird der zweite Piezoaktor 34 betätigt (angedeutet durch den Doppelpfeil) bewirkt das ein Verschwenken der Sensorhalterung 28 um die zweite innere Drehachse 27. Im Falle von zwei zweiten Piezoaktoren 34 müssten diese natürlich wieder gegengleich arbeiten.
Aufgrund der gelenkigen Anbindung der ersten Piezoaktoren 35 und der zweiten Piezoaktoren 34 an den zugehörigen Auflagern 32, 33, und auch aufgrund der kleinen Verstellwege von bis zu 1 mm, kann auf diese Weise um beide inneren Drehachsen 24, 27 verschwenkt werden. Zusätzlich könnten die zweiten Piezoaktoren 34 und die ersten Piezoaktoren 35 auch mit dem inneren Rollring 19 gelenkig verbunden sein.
In einer alternativen Ausgestaltung könnte der zweite Piezoaktoren 34 nicht am inneren Rollring 19, sondern am Zwischenring 25 befestigt sein.
Die in den Figuren dargestellte kardanische Aufhängung 2 ist als fünfachsige Aufhängung beschrieben. Selbstverständlich könnte die kardanische Aufhängung 2 aber auch mehr oder weniger Freiheitsgrade, bzw. Drehachsen, aufweisen. Beispielsweise könnte auf die Rollachse y verzichtet werden, womit auch der äußere Rollring 16 und der Rollantrieb 20 bzw. die Riemenscheiben 21 und der Riemen 22 überflüssig wäre. In diesem Fall wäre der innere Rollring 19 über die zweite äußere Drehachse 15 verschwenkbar am Haltebügel 13 angeordnet.
Allgemein umfasst die kardanische Aufhängung 2 eine äußere kardanische Aufhängung 30 mit einer Anzahl von Freiheitsgraden, im gezeigten Ausführungsbeispiel gebildet durch den Befestigungsteil 10, dem Haltebügel 13 und dem äußeren und inneren Rollring 16, 19 und den zugehörigen Drehachsen, Lagerungen und Antrieben, und eine an einem Teil der äußeren kardanischen Aufhängung 30 angeordneten innere kardanische Aufhängung 31, im gezeigten Ausführungsbeispiel gebildet durch den Zwischenring 25 und die Sensorhalterung 28 8 /187'
DP-3601 AT und die zugehörigen Achsen, Lagerungen und Antriebe. Die äußere kardanische Aufhängung 30 und die innere kardanische Aufhängung 31 sind hier über den inneren Rollring 19 miteinander verbunden. Falls keine Rollachse y benötigt wird, kann anstelle des äußeren Rollringes 16 direkt der innere Rollring 19 am Haltebügel 13 der äußeren kardanischen Aufhängung 30 angeordnet sein.
Falls die innere kardanische Aufhängung 31 nur einen Freiheitsgrad aufweist, z.B. nur die erste innere Drehachse 24 oder nur die zweite innere Drehachse 27, kann auf den Zwischenring 25 verzichtet werden. In diesem Fall wäre die Sensorhalterung 28 über die entsprechende Drehachse 24, 27 und dem zugehörigen verstärkten Piezoaktor 34, 35 mit dem inneren Rollring 19 verschwenkbar verbunden.
Auch ist es denkbar, die Reihenfolge der inneren Drehachsen 24, 27, also der zweiten Nickachse und der zweiten Gierachse, in der inneren kardanischen Aufhängung 31 zu ändern, dass also z.B. die zweite innere Drehachse 27 zwischen inneren Rollring 19 und dem Zwischenring 25 vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße kardanische Aufhängung 2 ermöglicht es einerseits den Sensor 3 hochgenau auszurichten und andererseits den Sensor 3 gegenüber Vibrationen zu stabilisieren, was auch eine Voraussetzung für die hochgenaue Ausrichtung des Sensors 3 ist. Das wird zum Einen dadurch ermöglicht, dass die erste und zweite äußere Drehachse 11, 15, also die erste Gierachse und die erste Nickachse, durch die Direktantriebe mit hoher Energiedichte und hoher Positionsgenauigkeit angesteuert und geregelt werden können. Damit kann der Sensor 3 innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches hochdynamisch positioniert werden. Hier sind mit Direktantrieben bis zu Frequenzen von ca. 20Hz Regelgenauigkeiten von bis 0,01 Grad möglich. Durch den Antrieb der äußeren Drehachsen durch Direktantriebe ist die kardanische Aufhängung 2 darüber hinaus in der Lage, Vibrationen in einem bestimmten Frequenzbereich zumindest teilweise bereits durch die erste äußere Drehachse 11 und die zweite äußere Drehachse 15 auszuregeln. Die verbleibenden Vibrationen in diesem Frequenzbereich, 1Hz bis ca. 20Hz, und Vibrationen in einem höheren Frequenzbereich, ca. 20Hz bis ca. 150Hz, werden durch die inneren Drehachsen 24, 27, also die zweite Gierachse und die zweite Nickachse, bzw. durch deren Piezoaktoren 34, 35, ausgeregelt.
Dazu ist vorgesehen, dass diese Vibrationen in diesem Frequenzbereich im Wesentlichen ungedämpft von der äußeren kardanischen Aufhängung 30 in die innere kardanische Aufhängung 31 eingeleitet werden. Nur wenn die Vibrationen (Schwingungen) in den zu stabilisierenden Frequenzbändern möglichst ungedämpft eingeleitet werden, können diese durch eine hochdynamische Regelung ausgeregelt werden. Wäre die Dämpfung zu hoch, z.B. durch eine biege- oder torsionsweiche Konstruktion, würden auch Regeleingriffe entspre- 9/188'
DP-3601 AT chend gedämpft werden, was eine hochdynamische Regelung verhindern würde. Die konstruktiven Elemente der kardanischen Aufhängung 2 können in ihrem Schwingungsverhalten als Tiefpass betrachtet werden. Damit werden Schwingungen mit Frequenzen unterhalb einer bestimmten Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt weitergeleitet, während Schwingungen oberhalb der Grenzfrequenz eine, zum Teil erhebliche, Abschwächung erfahren. Um nun Vibrationen in den zu stabilisierenden Frequenzbändern möglichst ungedämpft weiterzuleiten zu können, muss die Grenzfrequenz der kardanischen Aufhängung 2 zumindest oberhalb, vorzugsweise deutlich oberhalb, des zu stabilisierenden Frequenzbereichs liegen.
Dazu ist die Konstruktion der kardanischen Aufhängung 2, bestehend aus Befestigungsteil 10 und dem Haltebügel 13, und vorzugsweise auch dem äußeren und inneren Rollring 16,19 und dem Zwischenring 25 sowie den dazwischen gelegenen Lagerungen, mechanisch ausreichend steif ausgeführt, sodass die Vibrationen in den zu stabilisierenden Frequenzbereichen im Wesentlichen ungedämpft weitergeleitet werden. Das kann z.B. durch die Wahl geeigneter Verbundwerkstoffe und/oder durch konstruktive Auslegung des Haltebügels 13 erreicht werden. Für die Rollachse y benötigt man in der Regel keine derartigen Genauigkeiten, weshalb die Anforderungen an den Antrieb der Rollachse y wesentlich geringer sind und mit herkömmlichen Antrieben realisierbar sind.
In Fig.4 ist die Effizienz der Vibrationsstabilisierung der erfindungsgemäßen kardanischen Aufhängung 2 dargestellt. Hier ist die Regelungseffizienz R der äußeren, durch Direktantrieb angetriebenen Drehachsen 11,15, also die erste Gierachse und die ersten Nickachse, und der inneren, durch die Piezoaktuatoren 34, 35 angetriebenen Drehachsen 24, 27, also die zweite Gierachse und die zweite Nickachse, dargestellt. Als Regelungseffizienz R wird hier das Maß bezeichnet, mit dem Vibrationen einer bestimmten Frequenz ausgeregelt werden können. Eine Regelungseffizienz R von 100% würde dabei bedeuten, dass die Vibration einer bestimmten Frequenz vollständig ausgeregelt werden kann. Im niederfrequenten Bereich (bis ca. 20Hz) regeln die Direktantriebe die Eingangsstörungen (Vibrationen) mit hoher Effizienz- Kurve 40. Die Regelungseffizienz R nimmt dabei aufgrund des Trägheitsmoments mit steigender Frequenz f ab. Ab einer bestimmten Frequenz (im Bereich von >20Hz) bricht die Regelungseffizienz der Direktantriebe wegen deren beschränkten Regelungsbandbreite ein. Im höherfrequenten Bereich (ab ca. 20Hz) regeln die verstärkten Piezoaktuatoren 34, 35 mit hoher Regelungseffizienz R - Kurve 41. Im niederfrequenten Bereich hingegen ist die Regelungseffizienz R der verstärkten Piezoaktuatoren 34, 35 aufgrund des beschränkten Stellwegs (<1mm) beschränkt. Durch die Kombination aus Direktantrieb an den äußeren Achsen und verstärkte Piezoaktuatoren 34, 35 an den inneren Achsen gelingt es folglich, über einen breiten Frequenzbereich (1Hz bis ca. 150Hz) äußere Störungen (Vibrationen) 10 /18'
DP-3601 AT hochgenau und mit hoher Regelungseffizienz R auszuregeln. Damit kann die kardanischen Aufhängung 2 in diesem Frequenzbereich hochgenau ausgerichtet und stabilisiert werden.
Noch höhere Frequenzen (> ca. 150Hz) lassen sich durch Schwingungsentkopplung an der Befestigung zwischen Fahrzeug 1 und kardanischer Aufhängung 2 ausfiltern. Hierzu sind 5 spezielle Aufhängungen bekannt, die in der Lage, sind solche Schwingungen von der kardanischen Aufhängung 2 zu entkoppeln. Für bestimmte Anwendungen kann es ausreichend sein, wenn zumindest eine der äußeren Drehachsen 11, 15, z.B. die erste Nickachse 15, mit einem Direktantrieb 18 angetrieben ist. Ebenso kann es ausreichend sein, wenn zumindest eine der inneren Drehachsen 24, 27, 10 z.B. die zweite Gierachse, mit einem verstärkten Piezoaktor 34, angetrieben ist.
Das Regelungskonzept ist schematisch in Fig.5 dargestellt. Die kardanische Aufhängung 2, die den Sensor 3 trägt, ist hier, ohne Einschränkung, nur als zweiachsige kardanische Aufhängung dargestellt, mit einer äußeren kardanischen Aufhängung 30 mit einer äußeren Drehachse 15, z.B. die erste Nickachse, und einer inneren kardanischen Aufhängung 31 mit 15 einer inneren Drehachse 27, z.B. die zweite Gierachse. An den Drehachsen 15, 27 ist wie oben beschrieben an der äußeren kardanischen Aufhängung 30 ein Nick-Direktantrieb 18 vorgesehen und an der inneren kardanischen Aufhängung 31 ein verstärkte Piezoaktor 34. An den Drehachsen 15, 27 der kardanischen Aufhängung 2 sind weiteres Positionsgeber 45, 46, beispielsweise optoelektronische Winkelgeber, verbaut, um die aktuelle Winkellage der 20 Drehachsen 15, 27 bestimmen zu können. Zusätzlich können an der kardanischen Aufhängung 2 auch noch weitere Sensoren 48, beispielsweise Gyroskope oder Beschleunigungssensoren, vorgesehen sein. Die Positionsgeber 45, 46 und die Sensoren 48 übergeben ihre Messwerte an eine Regeleinheit 47, in der ein geeigneter Regler für die Regelung der Drehachsen 15, 27 der kardanischen Aufhängung 2 implementiert ist. Der Regler in der Re-25 geleinheit 47 regelt dabei anhand einer Sollwertvorgabe S die Betätigung der Antriebe der Drehachsen 15, 27, um den Sensor 3 einerseits genau auszurichten und ausgerichtet zu halten und auch um Vibrationen in der kardanischen Aufhängung 2 auszuregeln. -10- 11/18

Claims (14)

  1. DP-3601 AT Patentansprüche 1. Kardanische Aufhängung für zumindest einen an einer Sensorhalterung (28) angeordneten Sensor (3) mit einer äußeren kardanischen Aufhängung (30) mit einer Anzahl von Freiheitsgraden und einer an der äußeren kardanischen Aufhängung (30) angeordneten inneren kardanischen Aufhängung (31) mit einer Anzahl von Freiheitsgrade, wobei jeder Freiheitsgrad durch eine Drehachse ausgebildet ist und jede Drehachse durch einen Antrieb angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen Antrieb einer äußeren Drehachse (11, 15) der äußeren kardanischen Aufhängung (30) ein Direktantrieb (12,18) vorgesehen ist und für zumindest einen Antrieb einer inneren Drehachse der inneren kardanischen Aufhängung (31) ein verstärkter Piezoaktor (34, 35) vorgesehen ist und dass die äußere kardanische Aufhängung (30) und die innere kardanische Aufhängung (31) als mechanisch steife Konstruktion ausgeführt sind, die Vibrationen in einem zu stabilisierenden Frequenzband im Wesentlichen ungedämpft überträgt.
  2. 2. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der äußeren kardanischen Aufhängung (30) ein Befestigungsteil (10) vorgesehen ist, der über eine erste, mit einem Direktantrieb (12) angetriebene äußere Drehachse (1) mit einem Haltebügel (13) verbunden ist, wobei der Haltebügel (13) gegenüber dem Befestigungsteil (10) um die erste äußere Drehachse (11) verschwenkbar angeordnet ist.
  3. 3. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Befestigungsteil (10) der kardanischen Aufhängung ein Haltebügel (13) angeordnet ist.
  4. 4. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußerer Rollring (16) über eine zweite, mit einem Direktantrieb (18) angetriebene äußere Drehachse (15) mit dem Haltebügel (13) verbunden ist, wobei der äußere Rollring (16) gegenüber dem Haltebügel (13) um die zweite äußere Drehachse (15) verschwenkbar angeordnet ist.
  5. 5. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Rollring (16) ein innerer Rollring (19) um eine Rollachse (y) verdrehbar gelagert angeordnet ist.
  6. 6. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Haltebügel (13) ein innerer Rollring (19) um eine Rollachse (y) verdrehbar gelagert angeordnet ist. -11 12/18 DP-3601 AT
  7. 7. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsring über eine zweite, mit einem Direktantrieb (18) angetriebene äußere Drehachse (15) mit dem innerer Rollring (19) verbunden ist, wobei der Verbindungsring gegenüber dem inneren Rollring (19) um die zweite äußere Drehachse (15) verschwenkbar angeordnet ist.
  8. 8. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Rollring (16) oder am Haltebügel (13) eine erste, angetriebene Riemenscheibe (21) für einen Riemen (22) vorgesehen ist und am inneren Rollring (19) eine Lauffläche (23) für den Riemen (22) vorgesehen ist.
  9. 9. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Rollring (19) über eine zweite, mit einem Direktantrieb (18) angetriebene äußere Drehachse (15) mit dem Haltebügel (13) verbunden ist, wobei der innere Rollring (19) gegenüber dem Haltebügel (13) um die zweite äußere Drehachse (15) verschwenkbar angeordnet ist.
  10. 10. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorhalterung (28) über eine erste, mit zumindest einem ersten verstärktem Piezoaktor (35) angetriebene innere Drehachse (24) mit einem Teil der äußeren kardanischen Aufhängung (30) verbunden ist, wobei die Sensorhalterung (28) gegenüber dem Teil der äußeren kardanischen Aufhängung (30) um die erste innere Drehachse (24) verschwenkbar angeordnet ist.
  11. 11. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet, dass an der Sensorhalterung (28) ein erstes Auflager (32)gesehen ist und der zumindest eine erste verstärkte Piezoaktor (35) mit dem ersten Auflager (32) und mit dem Teil der äußeren kardanischen Aufhängung (30) verbunden ist.
  12. 12. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sensorhalterung (28) und dem Teil der äußeren kardanischen Aufhängung (30) ein Zwischenring (25) vorgesehen ist, der Zwischenring (25) über die erste, mit zumindest einem ersten verstärktem Piezoaktor (35) angetriebene innere Drehachse (24) mit dem Teil der äußeren kardanischen Aufhängung (30) verbunden ist, wobei der Zwischenring (25) gegenüber dem Teil der äußeren kardanischen Aufhängung (30) um die erste innere Drehachse (24) verschwenkbar angeordnet ist, und die Sensorhalterung (28) über eine zweite, mit zumindest einem zweiten verstärktem Piezoaktor (34) angetriebene innere Drehachse (27) mit dem Zwischenring (25) verbunden ist, wobei die Sensorhalterung (28) gegenüber dem Zwischenring (25) um die zweite innere Drehachse (27) verschwenkbar angeordnet ist.
  13. 13. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Sensorhalterung (28) ein zweites Auflager (33) vorgesehen ist und der zumindest eine zwei- -12- 13/18 DP-3601 AT te verstärkte Piezoaktor (34) mit dem zweiten Auflager (33) und mit dem Teil der äußeren kardanischen Aufhängung (30) verbunden ist.
  14. 14. Kardanische Aufhängung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Sensorhalterung (28) ein zweites Auflager (33) vorgesehen ist und der zumindest eine zwei-5 te verstärkte Piezoaktor (34) mit dem zweiten Auflager (33) und mit dem Zwischenring (25) verbunden ist. -13- 14/18
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