METHOD FOR DETERMINING NORTH DIRECTION BY MEANS OF NORTH-SEEKING GYROSCOPE

Abstract: 1. A method of determining the north direction by means of a north-seeking gyroscope containing, in an inner frame, a gyroscope motor with a spin axis which can be aligned horizontally, an outer frame or pendulum member in which the inner frame is disposed for rotation about an axis of rotation which can be aligned vertically, a verticality device for the vertical alignment of the rotatable pendulum member which is suspended in a housing, particularly by means of a universal joint, a restraining device with a signal producing pick-up for the angular position of the inner frame in relation to the pendulum member with respect to a preset zero angular position and a torque producer, controlled by the pick-up signal, to restrain the inner frame in its zero angular position, the current in the torque producer representing a measure of the moment driving the spin axis of the gyroscope towards the north and caused by the input angular velocity, and a regulating element, particularly a stepping motor, which causes a rotation of the pendulum member in relation to the housing with reference to a preset zero rotation, this housing comprising a zero mark for determination of the north direction, this is to say of the angle gamma existing between the zero mark and north, characterised in that, in order to determine the angle gamma, at least three measurements of an output quantity ~Xi depending on the input angular velocity omega are carried out in different positions of the pendulum member, turned through defined angles alpha i in relation to the zero rotation, and that the angle gamma is calculated from the equations ~Xi = K [OMEGA H sin (gamma + alpha i ) + D], in which OMEGA H is the horizontal component of the speed of rotation of the earth, D is the gyroscope drift and K is the scale factor.

Description: Verfahren zur Ermittlung der Nordrichtung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Nordrichtung gemäss Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Aus der DE-AS 15 98 042 ist ein Kreisel land ein Verfahren bekannt, wobei der Kreisel grundsätzlich als ein Wendekreisel mit zwei Freiheitsgraden ausgebildet ist. Dieser enthält einen um eine möglichst vertikal ausgerichtete Drehachse drehbaren Rahmen mit einem Kreiselrotor, dessen Spinachse orthogonal zur genannten Drehachse¯bz. Hochachse und somit in einer horizontalen Ebene liegt. Der Rahmen ist mittels Pa lagern 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 lioteinrichtung enthält ausserdem am unteren Ende des Pendelkörpers einen elektrisch betätigbaren Lotmagneten, dessen Anker nach Durchführung der Lotung sich auf einernka- lottenförmigen 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 Nachfuhrung des Pendelkörpers im Sinne einer Verringerung des Rahmenabgriffsignales zu bewir ken. 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 entspricht 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 z berücksichtigen, so dass je nach Güte des Kreisels Nordungsfehler entstehen. 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 Nachfuhrkreis aufgetrennt und in Abhängigkeit des Rahmen abgr-fisignals ein zwischen Rahmen und Pend-elkörper ange- ordneter Drehmomenterzeuger angesteuert. In dem derartaus- gebildeten Fesselkreis entspricht der Strom des Drehmomenterzeugers dem Fesselmoment, so dass unter Berucksichtigung des Kreiseldralls die Eingangswinkelgeschwindigkeit und somit die vorhandene Nordablage bestimmt werden kann. Hierbei werden geeignete Filter vorgesehen, um den EinfluB 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 Nord- richtung ergibt. Durch die Einschaltung des genannten Fesselkreises wird bei entsprechender Vorgabe des Über tragungsfaktors die dominante Eigenfrequenz des Kreisels erhöht, so dass der durch Gleichrichtmomente bedingte Nordfehler bzw. die Störbewegungsempfindlichkeit des Kreisels verringert wird. Bei der Anwendung nordsuchender Kreisel, z.B. in Navigationsanlagen, ist es wünschenswert, die Restfehler, die durch konstante Störmomente, Temperatureinflüsse u.a. äussere Einflüsse sowie durch Skalenfaktorfehler entstehen, zu bestimmen, um sie bei der Berechnung des Nordwinkels berücksichtigen zu können. Diese bestimmbaren Pehler sollen möglichst bei jeder Nordmessung berücksichtigt und in bestimmten Zeitabständen überprüft und korrigiert werden können. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messverfahren für einen nordsuchenden Kreisel derart zu gestalten, dass ein verbesserter Nordwinkel gewonnen wird und der Einfluss der genannten Störgrössen reduziert wird. Diese Aufgabe wird durch die 5m ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Bei dem erfindungsgemässen Nordungsverfahren ist es möglich, die durch die Grössen Skalenfaktor K und greiseldrrft D verursachten Nordungsfehler zu eliminieren und diese auch bei nachfolgenden, auf herkömmliche Weise durchgeführten Nordungen weitgehend zu reduzieren. Aus den über einen bestimmten Messzeitraum aufswmmierten und gemittelten Ausgangsgrössen X1, X2 s ..., Xn erfolgt in vor- teilhafter Weise die Bestimmung des Skalenfaktors K der gesamten Ubertragungskette und eines Messfehler B, der die Abweichung der mittleren Ausgangsgrösse X bei der Winkelgeschwindigkeit w = O um die Eingangsachse angibt. In besonders einfacher Weise erhält man diese Werte, wenn die drei Messungen der Eingangswinkelgeschwindigkeit in 1200 zueinander verdrehten Stellungen des Pendelkörpers durchgeführt werden. Nach Umformung der Eingangswinkelgeschwindig keiten #1, #2, #3 in die Ausgangsgrössen X1, X2, X3 wird die Nordrichtung bzw. der Winkel zwischen Nullmarke des Ereisels und Nord nach der Beziehung arc tan EMI4.1 gebildet. Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, das die Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit QH bei der Berechnung nicht berücksichtigt zu werden braucht und somit eine ungenaue Bestimmung bzw. falsche Eingabe des Standortes oder der geographischen Grösse keine fehlerhafte Bestimmung der Nordrichtung verursachen kann. Mittels den erhaltenen Ausgangsgrössen X1, X2, X3kann ferner nach der Beziehung EMI4.2 der Skalenfaktor ermittelt werden. Hierzu ist die Horizontalkomponente der Erdrotation QH erforderlich. In umgekehrter Weise kann jedoch mit Hilfe dieser Beziehung bei einem aus vorherigen Messungen bekannten Skalenfaktor K der Wert bestimmt werden. Der konstante MeBfehler errechnet sich in diesem Verfahren nach der Beziehung B = 1 (X1 + 2 + x3) (3). 3 Mittels der Gleichung B D=- (4) K lässt sich die mittlere Ereiseldrift D ermitteln. Die erhaltenen Werte K, B, D sind konstante Faktoren und können bei nachfolgenden Messungen der Nordrichtung als typische Fehler berücksichtigt werden. Ein eventuell auftretender Temperaturgang der Elemente der Messwert ermittlung oder der Ubertragung wird aus mehreren Messungen dieser genannten Grössen bei bestimmten Temperaturen bestimmt und abgespeichert und ebenfalls bei der Auswertung nachfolgender Nordmessungen berücksichtigt. Eine weitere vereinlachte Ermittlung der Nordrxchtung und der Fehlergrössen wird bei einer Messung der Eingangswinkelgeschwindigkeit in vier um 900 zueinander verdrehten Stellungen des Pendelkörpers erreicht. Hierbei wird in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Genauigkeit und eine weitere Vereinfachung der Berechnung möglich. Die Nordrichtung wird ermittelt nach der Beziehung X X arc tan 1 3 (5) ff 2 4 Wahlweise können ferner die Grössen K, B und D nach folgenden Gleichungen ermittelt werden: EMI5.1 Wird eine schnelle Bestimmung der Nordrichtung gewunscht, so kann während den laufenaen Messungen nach dem Ermitteln der ersten beiden Ausgangsgrössen X1 und X2 ein erster Grobwert der Nordrichtung in Bezug auf die Nullmarke nach der Beziehung X1 &gamma;G = arc tan (9) X2 ermittelt werden. In einer Ausbildung der Erfindung ist eine exakte mechanische Ausrichtung des Kreisels gegenüber der gehäusefesten Nullmarke, also eine Kalibration der mechanischen Ereisel- Komponenten dadurch möglich, dass die Nullmarke des Kreisels genau in die vorbekannte Nordrichtung eingestellt wird und mittels mehrerer Messungen die vom Kreisel angezeigte Nordrichtung ermittelt und aus der Differenz bzw. der Abweichung dieser Nordrichtung von der tatsächlichen Nordrichtung die Justierung des Kreisels vorgenommen oder ein Kali- brationswert Z berechnet wird. Dieser Kalibrationswert wird so abgespeichert, dass er bei nachfolgenden Nordmessungen zur Korrektur des Nordwinkels berücksichtigt werden kann, auch wenn ein anderes Nordungsverfahren angewandt wird. Desgleichen ist mittels eines Speichers, z.B. in der Art eines digitalen Speicherbausteins (PRO) ein Abspeichern der Werte für Skalenfaktor, konstanter Messfehler und Drift sowie deren Temperaturkoeffizienten möglich. In bevorzugter Weise ist der Speicher, welcher alle Kalibrations- bzw. Fehlerwerte abspeichert, Bestandteil der Kreiselmechanik, so dass bei Austausch des Kreisels aus einer Navigationsanlage die abgespeicherten Werte als kreiselspezifische Werte erhalten bleiben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 - eine Prinzipdarstellung des nordsuchen den Kreisels teilweise im Längsschnitt. Der nordsuchende Kreisel gemäss Fig. 1 enthält in einem Gehäuse 1 einen unter einer Grundplatte 2 an einem Kar- dangelenk 3 aufgehängten Pendelkörper 4. Zwischen dem schematisch dargestellten Kardangelenk 3 und dem Pende)- körper 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 Kugel- lager 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 nachgiebigen und radial steif angeordneten Taumelscheibe oder mittels einer Membran 10 verbundenen Zahnkranz 11, welchem auf dem Stator gegen überliegend ein Zahnkranz 12 zugeordnet ist. Die Zahnkran-- ze 11, 12 weisen eine hohe Zähnezahl auf, wobei die Zähnezahldifferenz vorzugsweise ein Zahn beträgt. 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 wer den. Hierfür ist ein einfacher, hier nicht dargestellter Nullstellungsabgriff vorgesehen. Am unteren 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 Xot- einrichtung geschaffen ist. Ist nämlich abweichend von Fig. 1 die Hochachse 19 nicht vertikal ausgerichtet, so kann durch eine im Taktbetrieb erfolgende Ansteuerung des Lotmagneten 16 der Anker 17 von der Kalotte abheben, mit der Folge, dass der Pendelkörper 4 sich exakt vertikal ausrichtet. Selbstverständlich kann die Lotung auch über Lotfühler sowie durch diese gesteuerte Stellglieder, wie zum Beispiel Servomotoren oder Drehmomenterzeuger, durchgeführt werden. Innerhalb des Pendelkörpers 4 befindet sich der Präzessionsrahmen 20, welcher einen um die Spinachse 21 drehba 33 ren Kreiselmotor 32/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. 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. Es sind ferner zwischen Pendelkörper 4 und Rahmen 20 sche matisch dargestellte Stromzuführungsfedern 36 vorhanden. Die gesamte zur Durchführung der Nordung erforderliche Elektronik 37 einschliesslich Rechner, Microprozessor, Zähler und Stromversorgung, ist im oberen Teil des Kreisels auf der Grundplatte 2 angeordnet. Der Funktionsablauf einer Nordung sowie die hierbei durchzuführenden Steuerungs- und Rechenschritte werden nunmehr beschrieben. Durch einen externen Nordsuchbefehl wird zunachst der Kreisel eingeschaltet. Zur Lotung des Pendelkörpers 4 wird der Lotmagnet 16 mit Impulsen erregt und nach wenigen Sekunden ist die Ausgangs- oder Drehachse 13 exakt vertikal ausgerichtet. Nun erfolgt der Hochlauf des Krei- selrotors 21 auf Nenndrehzahl und gleichzeitig wird der Schrittmotor 5 schnell durchgedreht, damit be Überschei- ten der Nullstellung der Zähler gelöscht wird und nachfolgend der Zählerstand der Winkelstellung des Pendelkörpers entspricht. Es ist zweckmässig, bereits während des -Hochlaufes den Besselkreis, welcher aus Winkelstellungsabgriff und Drehmomenterzeuger 30, 31 besteht, zu schliessen. Sobald der Kreiselrotor 22 seine Nenndrehzahl erreicht hat, wird in der gerade eingenommenen ersten Stellung des Kreisels das Fesselmoment bzw. unter Berücksichtigung des Kreiseldralls die Eingangs-Winkelgeschwinigkeit cd1 gemessen. Sodann wird der Pendelkörper 4 mittels des Schrittmotors um einen Winkel von 900 um die Drehachse 13 geschwenkt und in einer zweiten Messung die Eingangswinkel- geschwindigkeit UD2 gemessen. Die Ausführung einer genauen 90 -Drehung wird durch eine definierte Impuls abgabe des Rechners an den Schrittmotor erreicht. In gleicher Weise wird nach zwei weiteren Drehungen um jeweils 900 an3 und 4 4 gemessen. Die Messung der Eingangswinkelgeschwindig- keit erfolgt in jeder Stellung über einen bestimmten Zeitraum mehrfach, so dass nach Umformung dieser Werte in die Ausgangsgrössen gemittelte Werte Z1 4 zur Verfügung stehen. Mit diesen Messwerten wird nach der Formel (5) im Rechner die Nordrichtung bzw. der zwischen Nullmarke und Nord bestehende Winkel termittelt. Desweiteren ermittelt der Rechner unter Berücksichtigung des beispielsweise manuell eingegebenen Wertes aH nach der Formel (6) den Skalenfaktor K und nach Formel (7) den konstanten Messfehler 3. Aus den beiden Werten K und B wird die Kreiseldrift D nach Formel (8) berechnet. Der Aufbau oder die Programmierung des Rechners zur Durchführung der vorerwähnten Operation ist dem Fachmann geläufig und daher hier nicht im einzelnen beschrieben. Die Messwerte K, 3, D werden nach der ersten Messung in den Rechner eingespeichert und bei gelegentlich durchzufuhrenden Kalibrationsmessungen korrigiert, so dzss bei nachfolgenden Nordmessungen durch die Berücksichtigung der aktuellen Fehlergrössen eine präzise Ermittlung der Nordrichtung durchführbar ist.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Ermittlung der'Nordrichtung mittels eines Nordsuchenden Kreisels, enthaltend in einem inneren Rahmen einen Kreiselmotor mit horizontal aus richtbarer Spinachse, einen äusseren Rahmen bzw. Pen delkörper, in welchem der innere Rahmen um eine ver tikal ausrichtbare Drehachse drehbar angeordnet ist, eine Loteinrichtung zur vertikalen Ausrichtung des insbesondere mittels Kardangelenk in einem Gehäuse aufgehängten und drehbaren Pendelkörpers, eine Fes seleinrichtung mit einem Abgriff für die Winkelstel lung des inneren Rahmens gegenüber dem Pendelkörper und einen Dreh7norlenterzeu,er zur Fesselung des Rah mens in seiner Nullstellung in Abhängigkeit des hb- griffsignales, wobei der Strom im Drehmomenterzeuger ein Mass für die Eingangswinkelgeschwindigkeit bzw. das nordtreibende Moment darstellt und ein Stellglied, insbesondere einen Schrittmotor, der eine Verdrehung des Pendelkörpers gegenüber dem Gehäuse bewirkt, da durch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Nord- richtung g mindestens drei Messungen einer von der Eingangswinkelgeschwindigkeit a) abhängigen Ausgangs grösse Xi in verschiedenen, gegenüber der Nullstel lung um definierte WinkelCti verdrehten Stellungen des Pendelkörpers vorgenommen werden und dass aus den Gleichungen Xi = K [nH sin ( + Ki ) die Nord richtung errechnet wird, wobei QH die Horizontalkom ponente der Erddrehgeschwindigkeit, D die Kreisel drift und K der Skalenfaktor ist. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Ausgangs grössen X der Messungen ein Skalen faktor K und/oaer ein konstanter Messfehler B und/oaer die Kreiseldrift D ermittelt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Messungen der Eingangswinkelge schwindigkeiten in jeweils 1200 zueinander verdreh ten Stellungen erfolgen und daraus die Ausgangsgrös sen X1, X2, X3 gebildet werden, wobei die Nordrich tung bezogen auf eine Nullmarke nach der Beziehung arc tan EMI12.1 und/oder der Skalenfaktor EMI12.2 und/oder der konstante Messfehler B = 1 (X1 + X2 + X3) 3 und/oder aus den Werten K und B die Kreiseldrift B D K ermittelt wird, wobei QE die Horizontalkomponente der Erdrotation ist. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Messungen der Eingangswinkelge schwindigkeit in vier um 90 zueinander verdrehten Stellungen erfolgen und daraus die Ausgangsgrössen X1, X2, X3, X4 gebildet werden, wobei die Nordrich- tung, bezogen auf eine Nullmarke, nach der Beziehung F &gamma; = arc tan 13 X2 - X4 und/oder der Skalenfaktor EMI13.1 und/oder der konstante Messfehler B = X (Z1 + X2 + 3 + X4) und/oder aus den Werten K und B die Ereiseldrift 3 K ermittelt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bereits nach dem Erhalten der ersten zwei Aus- gangsgrössen X1 und X2 ein erster grober Wert für die Nordrichtung nach der Beziehung g = arc tan 1 G ermittelt wird. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nullmarke des nordsuchenden Kreisels vor den Messungen exakt nach Nord ausge richtet wird und dass die aus den Ausgangsgrössen er mittelte Abweichung von der Nordrichtung als Kali- brationswert Z gegenüber der Nullmarke abgespeichert und bei jeder nachfolgenden Nordung berücksichtigt wird. 7. Verfahren nach einem der Anspruche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der ermittelten Grössen, K, B, D oder Z, in einem digitalen Speicher abgespeichert werden und dieser Speicher auch nach Austausch des Kreisels, z.B. aus einer Navigations anlage diesem zugeordnet bleibt. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Grössen K, D, B oder Z bei verschiedenen Temperaturen ermit telt und daraus ihr Temperaturkoeffizient berechnet und im Rechner gespeichert wird. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei nachfolgenden Nordungen mit Hilfe eines Tempera turfühlers die Temperatur gemessen und mit den ge speicherten Grössen K, D, B und Z sowie deren Tempera turkoeffizienten der durch diese Grössen verursachte Nordungsfehl3r rechnerisch kompensiert wird.

Inventors: SINDLINGER, RAINER, DIPL.-ING.
Applicants: TELDIX GMBH
Application year: 1981
Main classification: G01C19
IPC codes: G01C19