SE425618B - Anordning for bestemning av lodriktning - Google Patents

Description

7sn2oass-i5 p j i i i , 2.

Vid bestämning av lodriktningen relativt ett rörligt underlag är det vanligt att använda ett s k lodgyro, vilket innefattar ett kardanskt upphängt gyro vars spinnaxel är riktad vertikalt.

För det fall att denna vertikala riktning väl är etablerad och gyrots kardan är friktionslös, så bibehålles spinnaxelns verti- kala riktning oberoende av underlagets läge. Underlagets läge relativt den vertikala riktningen bestämmes i regel genom upp- mätning av tvâ vinklar, de s k roll- och tippvinklarna.

Konventionella lodgyron varierar beträffande metoder för att kompensera den ofrånkomliga gyrodriften samt statisk och dynamisk noggrannhet m m. Gemensamt för lodgyrona är att de innefattar kar- danskt upphängda gyron, vilkas mekaniska uppbyggnad är förhållande- .vis komplicerad. Det har därför i andra fall varit en strävan att i stället använda sig av hastighetsavkännande gyroskopiska sensorer, exempelvis retegyren, vilka i förhållande till konventionella, tvä- axliga gyron.har den betydande fördelen att dess tillverkningskost- nad blir avsevärt lägre. Detta beror på att gyroskopiska sensorer har en enkel mekanisk uppbyggnad med endast en känslig axel.

Då ett höjd- och sidriktbart vapen skall stabiliseras, d v s då riktningen hos vapnets eldrör skall göras oberoende av rörelser hos underlaget, erfordras information om vapnets rotationsrörelser kring två axelriktningar. Det är därvid förut känt att uppmäta rota- tionsrörelserna med gyroskopiska sensorer, vilka mäter vapnets vridningshastigheter i höjd och sida.

Då vapnet ingår i ett vapensystem vilket även innefattar en eldled- ningsutrustning med åtminstone en riktkikare och en kalkylator, erfordras emellertid vidare information om dels elevationsaxelns vridningsvinkel omkring eldrörets riktning från lodplanet och dels ofta även eldrörsriktningens vinkel gentemot vâgplanet. Den konventionella benämningen på dessa vinklar är roll- och tipp- vinkeln och i fortsättningen kommer därför denna benämning att an- .vändas. Den hittills vanligaste metoden för att mäta dessa vinklar har varit med hjälp av konventionella lodgyron. Ändamålet med föreliggande uppfinning är nu att åstadkomma en an- ordning för bestämning av lodriktningen utan att behöva utnyttja konventionella gyron av det ovan angivna slaget. I stället utnyttjas 7802038-5 enbart enaxliga gyroskopiska sensorer för uppmätning av hastig- heten hos underlagets rörelser och initialbestämning av vertikal- riktningen samt kompensation av gyrodriften kan ombesörjas av enkla vinkelmätande lodpendlar. Vidare uppnås den fördelen att de gyroskopiska sensorerna i regel kan ingå som signalgivare till andra funktioner i det system där lodinformationen önskas.

Anordningen kännetecknas därvid i huvudsak av att nämnda utsig- naler är anordnade att tillföras organ för att i beroende av nämnda vinkelhastigheter beräkna underlagets roll- och tipp- vinkel och därmed vapensystemets lodriktning.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas under hänvis- ning till bifogade ritningar varvid figur 1 schematiskt visar principen för hur ett vapen kan stabiliseras, figur 2 visar prin- cipen för hur lodriktningen kan bestämmas med en anordning enligt uppfinningen,figur 3 visar anordningen kompletterad med organ för initialbestämning av lodriktningen, figur 4 visar hur beräknings- organen är uppbyggda och figur 5 visar en alternativ utföringsform av uppfinningen i vilken tvâ gyroskopiska sensorer är anknutna till siktet istället för vapnets eldrör.

För att kunna riktas mot ett mål är ett vapen i allmänhet lagrat så att det skall kunna röras i vinkelled relativt sitt transport- underlag. Vapnet är därvid anordnat att vridas omkring två axel- riktningar med hjälp av servomotorer. Vapnets eldrör kan exempel- vis vara eleverbart lagrat i ett stridsvagnstorn, medan strids- vagnstornet i sin tur kan sidriktas relativt ett chassi.

I figur 1 visas schematiskt hur ett sådant konventionellt system för styrning av ett vapen i höjd- och sidled kan vara uppbyggt. vridning av vapnet i sidled ombesörjes av en servomotor 1 som in- griper i en kuggkrans e d på stridsvagnstornet, medan höjdriktning av vapnet sker med hjälp av en servomotor 2, placerad i strids- vagnstornet, och vilken ingriper i en kuggbåge e d på det eleve- rande systemet. Vidare är gyroskopiska sensorer 3 och 4, exempel- vis rate-gyron, anordnade att uppmäta vapnets rotationsrörelser.

Sensorn 3 avger därvid en elektrisk utsignal som är proportionell mot vridningshastigheten i sida relativt marken, d v_s strids- vagnstornets rotationshastighet omkring sidaxeln, medan sensorn 4 avger en utsignal proportionell mot vridningshastigheten i höjd- led, d v s eldrörets rotationshastighet omkring elevationsaxeln, 7852038-s även den relativt marken; De från de båda gyroskopiska sensorerna 3 och 4 avgivna signalerna utgör systemets ärvinkelhastigheter och styr servomotorerna 1 och 2 så att vapnets rotationshastighet förblir mycket nära noll, d v s vapnet stabiliseras. De båda ärhastigheterna tillföres därvid en komparator 5 respektive 6 och jämföres där med från ett yttre styr- system kommande börhastigheter i sida resp höjd. De från kompara- torerna 5 och 6_avgivna differenserna tillföres därefter servomo- I torerna 1 och 2 via förstärkare 7 respektive 8, som förutom signal- förstärkning även i regel innehåller lämpliga dynamiska filter, integratorer_etc. Om börhastigheterna från det yttre systemet är noll kommer vapnets vridningsrörelser relativt marken att vara nära noll, beroende på motorsystemets kvalitet.

Till ett konventionellt vapensystem hör också i allmänhet ett eld-r ledningssystem, vilket innefattar åtminstone en riktkikare och kalky- lator. Eldledningssystemets och riktkikärens utformning saknar prin- cipiell betydelse för uppfinningen och beskrivs därför ej närmare.

Riktkikaren kan exempelvis vara av det slag där en riktare kontinu- erligt bedömer läget för kikarens optiska syftlinje relativt ett med kikaren iakttaget mål. Riktaren kan sedan med hjälp av en rikt- spak e d påverka de båda servomotorerna 1 och 2, genom att börsig- naler av lämplig storlek tillföres de båda riktsystemen, så att vapnets höjd- och sidriktas. Riktaren kan på så vis följa målet med hjälp av riktkikaren varvid lämplig förhållvinkel och uppsätt- ning kan framräknas av eldledningskalkylatorn, trots att det under- lag, exempelvis ett fordon på vilket vapensystemet är anbringat samtidigt utsättes för t ex genom körning uppkomna rotationsrörelser.

Förutom de ovan nämnda rotationsrörelserna hos vapnet, vilka uppmä- tes med de gyroskopiska sensorerna 3 och 4, erfordras för eldled- ningskalkylatorn information om lodriktningen, d v s dels rollvinkeln och dels tippvinkeln hos vapnet. Enligt uppfinningen uppmätes dessa 7 vinklar med en anordning vars principiella uppbyggnad framgår av figur 2, varvid de i figuren angivna beteckningrna representerar vinkelhastigheter och vinklar vilka definieras som fin. vapnets rotationshastighet omkring elevationsaxeln relativt rymden, d vas vridningshastigheten i höjd, 7802038-5 flf vapnets rotationshastighet omkring sidaxeln, d v s vridningshastigheten i sida, -:IQ vapnets rotationshastighet omkring sin kärnlinje, d v s rollvinkelhastigheten, ml elevationsaxelns vridningsläge omkring kärnlinjen i förhållande till vågplanet, d v s rollvinkeln och n kärnlinjens vertikala vinkel mot vågplanet, d v s tippvinkeln.

Anordningen innefattar en gyroskopisk sensor 9 applicerad på vapnet och vilken uppmäter vapnets rollvinkelhastighet, d v s vapnets vridningshastighet omkring sin kärnlinje, och avger en utsignal som är proportionell mot denna hastighetjls. Utsignalen tillföres en beräkningsenhet 10, vilken närmare kommer att beskrivas i samband med figur 4. Till beräkningsenheten 10 tillföres dessutom signaler motsvarande vridningshastigheterna i höjd och sida "D-q respllcf , från sensorerna 3 och 4 i stabiliseringssystemet, varvid gyrosensorn 4 är anordnad vinkelrät mot vapnets eldrör. Från beräkningsenheten 10 avges sedan utsignaler motsvarande ml och n, vilka utgör ett mått på rollvinkelhastigheten resp tippvinkelhastigheten. Dessa signaler tillföres därefter_integratorer 11 och 12 som integrerar de inkomman- de signalerna (ml och n) varvid signaler motsvarande ml och n upp- träder på integratorernas utgångar. Dessa signaler återkopplas vida- re till beräkningsenheten 10. 7 Genom anordningen enligt figur 2 erhålles en relation mellan de uppmätta vinkelhastigherna (11 -signalerna) och roll- och tippvinkeln, (ml resp n-signalerna). För att denna relation skall bli korrekt er- fordras emellertid att integrationskonstanter för de två integratio- nerna tillföres. Enligt uppfinningen kan detta ske genom successiv övervakning från tvâ yttre anordningar, vilka åtminstone under sta- tiska förhållanden kan mäta de aktuella vinklarna ml och n. Exempel på enkla sådan anordningar är pendlar försedda med vinkelgivare.

I figur 3 visas med hjälp av ett blockschema en lämplig utförings- form av uppfinningen, vilken även innefattar organ för bestämning av integrationskonstanerna. I figuren har samma hänvisningsbeteck- ningar använts som i figur 2 för de delar som motsvarar varandra. ?802038-5 En pendel 13 mäter vinkeln ml, d v s rollvinkeln, och avger en utsignal mlp som mått på denna vinkel. Signalen mln tillföras ena ingången på en komparator 14. Komparatorns andra ingång är-ansluten till integratorns 11 utgång. I komparatorn 14 sker därmed en jäm- förelse mellan signalerna ml och mlp och differensen tillföres en krets 15, vilken är anordnad att begränsa differensen till ett på förhand bestämt värde, varefter signalen tillföres integratorns 11 ingång via en krets 16, i vilken signalen summeras med signalen ml från beräkningsenheten, 10. Genom en omkopplare 17 på kretsens 16 ingång kan storleken av påverkan regleras. I figuren har detta symboliskt markerats med värdena TH och fä, vilka samtidigt anger den tidskonstant med vilken integratorns utvärde ml svänger in mot mlp.

När vapensystemet ej är stillastående, d v s när det fordon på vilket vapnet är anbringat är under gång, utsättes pendeln även för andra accelerationer äntüngdkraften, varför vinkelinformationen endast i genomsnitt under en längre tid.är korrekt. Genom att över- vakningen genom begränsningskretsen 15 är begränsad, så att en maximal, valbar ändringshastighet av integratorn erhålles, ernås att oönskade drifter av integratorn 11 kompenseras,.medan stora och konstanta pendelfel endast långsamt ändrar integratorns utvärde.

Vidare förutses möjligheten av att införa en accelerationskorrektion, i förekommande fall bestående av accelerationer som ett yttre system beräknar att pendeln kommer att utsättas för. Detta har i figuren markerats med en tredje ingång, Acc korr, till.komparatorn 1Å. Ge~ nom införandet av två olika stora I'-värden, 1% och'¶ê, kan det- ' mindre värdet 1% användas för snabbare insvängning av integratorns utvärde innan de gyroskopiska sensorerna startat eller startats.

Det är även lämpligt att ha det mindre tßvärdet, ¶¶ , inkopplat när fordonet är stillastående.

Pâ samma sätt som ovan erfordras organ för bestämning av integra- tionskonstanten hos integratorn 12. Anordningen innefattar därför en pendel-18, för uppmätning av den aktuella tippvinkeln. Eftersom vridningsaxeln även hos denna pendel är fast i förhållande till vapnet och parallell med elevationsaxeln mäter emellertid pendeln inte vinkeln n utan istället vinkeln nl, d v s vinkeln i ett plan vinkelrätt mot elevationsaxeln mellan eldrörets kärnlinje och våg- planet. I det angivna tillämpningsexemplet är nämnda vinkel i lik- het med vinkeln n liten då fordonet är under körning, varför med 7802038-5 tillräcklig noggrannhet den uppmätta vinkeln nl kan överföras till np genom multiplikation med cos ml. Utsignalen från pendeln 18 tillförs därför en krets 19 vars utsignal utgöres av signalen nlp -cos ml. Denna signal tillföres därefter, analogt med ovan, ingången på en komparator 20 för jämförelse med n-signalen på integratorns 12 utgång. Differensen tillföres en krets 21, vilken är anordnad att begränsa differensen till ett på förhand bestämt värde, varefter signalen tillföres integratorns 12 ingång via en krets 22, i vilken signalen summeras med n-signalen från beräk- ningsenheten 10. Genom en omkopplare 23 på ingången på kretsen 22 kan storleken av påverkan regleras. De tidskonstanter øš och 1% som användes behöver därvid ej nödvändigtvis vara samma som de som användes för ml-integratorn.

I samband med figur 4 skall nu närmare beskrivas hur beräknings- enheten 10 kan vara uppbyggdflflfochfllz -signalerna på beräk- ningsenhetens ingång representerar vapnets vridningshastighet i sida resp höjd och är vinkelräta sinsemellan. Dessa signaler överföres medels en resolver 24 till komponenter i ett nytt andra koordinatsystem vilket är vridet vinkeln ml i förhållande till det första koordinatsystemet. Detta har i figuren markerats med att signalerna sin ml och cos ml bildas och tillföres resolvern 24. Komponenterna i det andra koordinatsystemet betecknas med fLz' och -Q-H . Den senare komponenten representerar därVï-d direkt värdet n. Den förra komponenten multipliceras med hjälp av en multiplikatorkrets 25 med tg n, varvid i det aktuella tillämpningsexempletgäller att tgxrgn. Multiplikatorns utsignal adderas därefter med insignalenllå, rollhastigheten, i en krets 26, varvid utsignalen ml bildas.

Sænmflfattningsvis realiseras följande ekvationssystem genom be- räkningsenheten 10 m1 ILS - (fb-f . cos ml -Rvl-sin ml) ø tg n n = fly . sin ml + ÄZQ' cos ml Ovan anges bara ett exempel på ekvationssystem som kan realiseras med hjälp av beräkningsenheten 10. Beroende på om integratorerna 11 och 12 skall integrera ml resp n, eller m och nl, eller kombi- nationer däremellan kan fyra varianter på ekvationssystem använ- das. Vinkeln m anger därvid tappaxelns lutning i ett vertikalplan.

Vidare kan pendlarna 13 och 18 utbytas mot accelerometrar, vilka - att de tvâ vinkelhastighetskännande gyrosensorerna är mekaniskt 7302038-5 mäter vinklar i lodplanet och ej sneda vinklar. Även detta val påverkar valet av ekvationernas slutliga form. I det ovan angivna exemplet på ekvationssystem redovisas emellertid den form som är bäst anpassad till pendelfunktionerna.

I samband med figur 5 beskrivs en utföringsfórm av en anordning enligt uppfinningen. Även i detta fall beskrivs an- ordningen i anslutning till ett stabiliserat vapensystem liknande det tidigare beskrivna{ I detta fall är emellertid den i systemet ingående riktkikarens syftlinje stabiliserad primärt på så sätt nära förbundna med det riktningšbestämmande optiska organet, i regel en spegel eller ett prisma, i siktet. Vapnet styrs därvid av det stabiliserade siktet på konventionellt sätt. Även i detta fall önskas uppgift om lodriktningen, d vvs vapnets rollvinkel och tippvinkel, ml respektive n, varför enligt uppfinningen den tredje gyrosensorn även nu är monterad för att mäta vapnets rollhastighet flfir De på siktet befintliga gyrosensorerna kan visserligen placeras något olika, men typiskt är att de mäter syftlinjens vinkelhastighet. Vidare är det karakteristiskt för systemet att riktkikarens syftlinje_och vapnets eldrör i regel ej är parallella utan åtskilda med två vinklar, de s k framför- hållningsvinklarna, en i sidled och en i höjdled, i figuren be- tecknade O(¿¿och >\1. I Enligt figur S innefattar uppfinningen en gyroskopisk sensor 26 för mätning av siktlinjenswünkeüußtyflæm Slå i sidled och en gyro- rskopisk sensor 27 för mätning av siktlinjenä vinkelhastighetÃ2g i höjdled. En förmodad rotationshastighetšlsi syftlinjens riktning ansättes från utgången på en förstärkare 28. De från den gyro- skopiska sensorn 26 och förstärkaren 28 utgående signalerna till- föres en resolver 29, i vilken signalerna överföres till ett nytt koordinatsystem, vilket är vridet vinke1nÅ¿i förhållande till eldrörets koordinatsystem. I en första deriveringskrets 30 bildas derivaten av ÅQ , vilken derivata summeras med den från den gyroskopiska sensorn 2? avgivna hastighetssignahm1Qâi en krets 31. Den så bildade signalen tillföres ena ingången på en ytterligare resolver 32. Resolverns andra ingång mottar'Jl1;- signalen från den förra resolvern 29. I resolvern 32 överförs signalerna till ännu ett koordinatsystem, vilket är vridet vinkeln 5(¿¿i.förhâllande till eldrörets koordinatsystem. Den på resol- .-~.. 7802038-5 verns 32 utgång uppträdanden-ß -signalen mäste nu överensstämma med den rollvinkelhastighetšlfi som uppmätts med den gyroskopiska sensorn 33, vilken är anordnad på vapnet och mäter vinkelhastig- heten i rolled. I en krets 34 bildas differensen mellan de båda signalerna, varefter differenssignalen återföres till ingången på förstärkaren 28. Genom att utforma förstärkaren 28 så att den ut- för minst en integration och har en förstärkning som överstiger ett visst värde blir insignalen till förstärkaren genom den slutna kretsen ringa och differensen mellan det beräknade och det uppmätta värdet på rollvinkelhastighetenIlsförsumbar. Anordningen innefattar vidare en andra deriveringskrets 35 vilken bildar derivatan av re- solvervinkeln den. Den så bildade derivatan gzasummeras i en krets 36 med den från resolvern 29 avgivnallç- signalen, varefter utsig- nalen tillföres beräkningsenheten 10, analogt med utföringsformen enligt figur 3. De så bildade rotationshastighetssignalerna,.(7.,|f Ãz-lz ochflß är identiska med de motsvarande signalerna i figur 3, d v s de signaler som skulle erhållits om de på siktet placerade gyroskopiska sensorerna istället varit placerade på vapnet. Härige- nom kan signalerna tillföras hgräqfingsenheten 10 och den efter- följande anordningen för beräkning av de önskade vinklarna ml och n, d v s vapnets roll- och tippvinkel, är identisk med anordningen enligt figur 3.

Claims (8)

veßzalse-ps 1 i 16 PATENTKRAV

1.) Anordning för bestämning av lodriktningen hos ett vapensystem, vilket uppbäres av ett rörligt underlag, exempelvis en farkost, -ett fordon, ett flygplan, ett fartyg eller liknanden och inne- fattande ett omkring tvâ, företrädesvis vinkelräta, axelriktningar vridbart vapen, varvid en första och en andra gyroskopisk sensor (3 resp 4) är anordnade att avge utsignaler proportionella mot vapnets vinkelhastigheter (flyrespSlQ ) relativt de två axel- riktningarna och en tredje gyroskopisk sensor (9) är anordnad att avge en utsignal proportionell mot vapnets rollvinkelhastighet (QS) knä n n e t e c k n a d av att nämnda utsignaler är an- ordnade att tillföras organ (10, 11, 12) för att i beroende av nämnda vinkelhastigheter (§l¶,Sl¶,Sl§ ) beräkna underlagets roll- och tippvinkel (ml resp n) och därmed vapensystemets lodriktning.

2. Anordning enligt_patentkrav 1 k ä n n e t e c_k n a d anv organ (13, 18) för initialbestämning av lodriktningen.

3. 1 Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k nja d av att organen (10, 11, 12) för beräkning av underlagets roll- och tippvinkel (ml resp n) innefattar dels en beräkningsenhet (10), vilken i beroende av de uppmätta vinkelhastigheterna (S1p,§1¶,SZ$) beräknar derivatan av underlagets roll- och tippvinkel (ml resp n) och dels integratorer (11, 12) anordnade att integrera den från beräkningsenheten (10) avgivna derivatasignalerna (ml resp n).

4. Anordning enligt patentkrav 3 k ä n n e tre cpk n a d a v att beräkningsenheten (10) innefattar en resolver (24) anordnad att överföra de av de gyroskopiska sensorerna (3, 4) uppmätta vin- kelhastigheternap(flywílq) till ett koordinatsystem vilket är vri- det en vinkel motsvarande underlagets rollvinkel (ml) i förhållan- de till det koordinatsystem_í vilket nämnda vinkelhastigheter ($1f,§Z¶) har uppmätts. 11 7802038-5

5. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n nue t_e c k nha dww a v att den av resolvern (24) avgivna signalen (.f1á ), vilken mot- svarar vinkelhastigheten i sida (fly) i det förra koordinatsy- stemet, multipliceras i en multiplikatorkrets (25) med tg ° n, där n är tippvinkeln, varefter den så bildade signalen adderas med rollvinkelhastigheten (ILS) i en krets (26).

6. Anordning enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d av att organen för initialbestämning av lodriktningen utgöres av en första och en andra pendel (13 resp 18) för mätning av rollvin- keln (ml) resp tippvinkeln (n).

7. Anordning enligt patentkrav 3 och 6 k ä n n e t e'c k n a d av komparatorer (14, 20) för att jämföra de från pendlarna (13, 18) avgivna signalerna med de av beräkningsorganen (10, 11, 12) framräknade värdena på roll och tippvinkeln (ml resp n) samt organ (15, 16, 17 resp 21, 22, 23) för att låta de från kompara- torerna (14, 20) avgivna differenssignalerna påverka insignalerna (ml resp n) till integratorerna (11, 12).

8. Anordning enligt patentkrav 7 k ä n n e t e c k n a d a v att det av pendeln (18) uppmätta värdet på tippvinkeln (nlp) multipliceras med cos ml, där ml betecknar rollvinkeln, i en krets 19 varefter det så bildade värdet tillföres komparatorn (20). ÅNFURDÅ PUBLIKATIONER: SE patentansökan 14 769/69, 321 426 (F41g 5/16)