CH663671A5 - Apparecchio per generare un segnale che rappresenta il moto di velocita angolare di una struttura. - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce ad un apparecchio per generare un segnale che rappresenta il moto di velocità angolare di una struttura, il quale comprende:

un primo accelerometro includente mezzi per generare un primo segnale di uscita che rappresenta l'accelerazione lungo un primo asse sensibile ad una forza;

un secondo accelerometro includente mezzi per generare un secondo segnale di uscita che rappresenta l'accelerazione lungo un secondo asse sensibile ad una forza e mezzi di elaborazione di segnali sensibili al detto primo e secondo segnale di uscita per generare un segnale di velocità che rappresenta il moto di velocità angolare della struttura.

L'invenzione è particolarmente utile nell'apparecchio e nel metodo come applicati ad una unità di misurazione inerziale (IMU) non giroscopica di elevata precisione per un sistema di navigazione inerziale (INS), come descritto nel brevetto US 4 445 376 nonché nell'articolo di Samuel J. Merhav, intitolato «A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit», pubblicato nello AIAA J. of Guidance and Control, maggio-giugno, 1982, pagine 227-235, e viene pertanto descritta in appresso con riferimento ad una tale domanda.

Il brevetto US 4 445 376 sopra citato illustra un metodo ed un apparecchio per misurare il vettore di forza specifica ed il vettore di velocità angolare di un corpo in moto per mezzo di una molteplicità di accelerometri eccitati ciclicamente. La realizzazione qui descritta usa accelerometri rotanti che, genericamente, sono stati proposti fin dal 1985, ma che non sono ancora maturati come tecnologia pratica, come discusso nel detto brevetto.

Il detto brevetto era particolarmente diretto ad una nuova maniera di elaborare i segnali di uscita di accelerometro in modo da derivare le loro componenti di vettore F di forza specifica e di vettore di velocità angolare, in maniera tale che le com5

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ponenti indesiderate vengano soppresse fino ad un livello sufficientemente basso, così da essere compatibili con i requisiti di precisione INS. In breve, le componenti di vettore di velocità angolare di ß (cioè £2, in cui i = x, y, z) vengono derivate da ciascuno dei segnali di uscita («a») di accelerometro tramite: (1) moltiplicazione del segnale di uscita di accelerometro per la funzione sgncos rat (segno di cos rat) in modo da produrre il segnale di prodotto a.sgncos rat, 2 (2) integrazione del segnale di prodotto per il periodo ciclico. Le componenti di vettore di forza specifica di F (cioè Fi in cui i = x, y, z) vengono derivate integrando i rispettivi segnali di uscita («a») di accelerometro per il periodo ciclico. Il detto brevetto include una discussione ed una analisi matematica della dinamica implicata, e mostra che si ottengono numerosi vantaggi i quali rendono il metodo e l'apparecchio descritti particolarmente adatti per sistemi di navigazione inerziale (INS) non giroscopici. Si potrà fare riferimento al brevetto e all'articolo di S. J. Merhav, sopra citati, per ulteriori dettagli della tecnica descritta per la separazione di segnali e dei vantaggi con ciò ottenibili.

Uno scopo della presente invenzione è di fornire un nuovo apparecchio per misurare la velocità angolare di un corpo ili moto, consentendo di raggiungere numerosi altri vantaggi importanti particolarmente nella tecnica di navigazione inerziale non giroscopici (INS).

L'apparecchio secondo l'invenzione è definito nella rivendicazione 1.

Preferibilmente per ogni asse, dal quale una informazione di velocità angolare è desiderata, c'è una còppia di accelerometri. Tre forme preferite di realizzazione verranno ora descritte: una prima forma comprende due accelerometri accoppiati aventi i loro assi sensibili alla forza paralleli ad un asse di vibrazione angolare (fig. 10). Una seconda forma d'esecuzione comprende due accelerometri accoppiati, disposti dorso a dorso, con i loro assi sensibili alla forza in direzione opposta e perpendicolari ad un asse di vibrazione angolare (fig. 11). Una terza disposizione di accelerometri accoppiati comprende due accelerometri, disposti dorso a dorso, con i loro assi sensibili alla forza in direzione opposta e perpendicolari alla direzione di vibrazione lineare (fig. 12).

Queste disposizioni di accelerometri accoppiati sopra descritti rendono possibile separare ulteriormente i segnali di velocità angolare da segnali di forza, sommando e sottraendo i segnali di uscita degli accelerometri accoppiati, prima di immettere questi segnali in un circuito di separazione di segnali.

Un apparecchio costruito secondo l'invenzione consente di raggiungere numerosi vantaggi importanti, particolarmente quando applicato a sistemi di navigazione inerziale (INS) non giroscopici. Pertanto, esso consente che gli accelerometri vengano eccitati ciclicamente senza giunti meccanici rotanti o scorrevoli, ovviando con ciò alla necessità di anelli di scorrimento od altri contatti elettrici scorrevoli. Inoltre, la disposizione descritta fornisce un complesso di accelerometro che è intrinsecamente rigido lungo l'asse sensibile il che permette che il moto vibratorio venga impartito agli accelerometri ad ampiezze, frequenze ed angoli di fase che possono venire controllati molto esattamente e che rendono gli accelerometri sostanzialmente insensibili a forze esterne, urti e vibrazione. Ancora un ulteriore vantaggio, particolarmente nella disposizione dorso a dorso, è che essa genera il richiesto moto vibratorio in una maniera tale che le forze dinamiche vengano bilanciate esattamente. I precedenti vantaggi forniscono un tempo medio tra malfunzionamenti (MTBF) molto più elevato che le IMU di tipo giroscopico o le IMU di tipo non giroscopico aventi accelerometri rotanti.

Da quanto sopra, si noterà che il «movimento vibratorio» applicato agli accelerometri può non solo essere un puro movimento rettilineo, come nella terza delle realizzazioni sopra menzionate, ma può anche essere un movimento quasi rettilineo (per esempio piccoli moti oscillatori angolari che sono quasi rettilinei), come nella prima e nella seconda delle sopra menzionate realizzazioni dell'invenzione. Ciò diventerà più evidente dalla descrizione dettagliata che segue, di ciascuna di queste tre realizzazioni.

L'invenzione viene qui descritta, solo a titolo di esempio, con riferimento ai disegni annessi, nei quali:

la fig. 1 è uno schema che sarà utile nello spiegare il principio di separazione di segnali descritto nella sopra citata domanda di brevetto ed usato nella realizzazione preferita della presente invenzione come qui descritta;

la fig. 2 è uno schema a blocchi che illustra una forma di sistema di misurazione inerziale non giroscopico, basato sul principio della separazione di segnali descritto nella sopra citata domanda di brevetto ed anche incluso nella realizzazione preferita della presente invenzione;

la fig. 3 è uno schema simile a quello della fig. 1, ma modificato in maniera da includere accelerometri vibranti secondo la presente invenzione, anziché accelerometri rotanti come nella fig. 1;

la fig. 4 illustra una forma di complesso di accelerometro vibrante costruito secondo la presente invenzione;

la fig. 5 è uno schema di un eccitatore di complesso di accelerometro ad anello chiuso, costruito secondo la presente invenzione;

la fig. 6 illustra schematicamente l'impiego di due complessi di accelerometro vibrante, ciascuno secondo la costruzione illustrata nella fig. 4, montati per esempio in relazione dorso a dorso per bilanciare le forze dinamiche;

la fig. 7 illustra una seconda forma di complesso di accelerometro vibrante costruito secondo la presente invenzione, basato sull'impiego di un generatore elettrico di coppia che eccita in rotazione l'accelerometro ed una massa di controbilanciamento attraverso un piccolo moto oscillatorio angolare.

la fig. 8 è una terza forma di complesso di accelerometro vibrante, costruito secondo la presente invenzione, basato sull'impiego di un diapason per bilanciare esattamente le forze dinamiche;

la fig. 9 è uno schema a blocchi che illustra una disposizione di oscillatore elettromeccanico includente un complesso di accelerometro a diapason come illustrato nella fig. 8;

la fig. 10 è uno schema prospettico semplificato di accelerometri accoppiati aventi i loro assi sensibili alla forza paralleli ad un asse di vibrazione angolare;

la fig. lié uno schema prospettico semplificato di accelerometri accoppiati, disposti dorso a dorso, con i loro assi sensibili alla forza perpendicolari ad un asse di vibrazione angolare;

la fig. 12 è uno schema prospettico semplificato di accelerometri accoppiati, disposti dorso a dorso, con i loro assi sensibili alla forza perpendicolari alla direzione di vibrazione lineare;

la fig. 13 è uno schema simile a quello della fig. 3, usato per illustrare il funzionamento della disposizione di accelerometri accoppiati della fig. 10 in un sensore di velocità su tre assi;

la fig. 14 è uno schema di un tipo simile a quello della fig. 3 ed illustra il funzionamento della disposizione di accelerometri accoppiati della fig. 11 in un sensore di velocità su tre assi;

la fig. 15 è uno schema del tipo simile a quello della fig. 3, illustrante il funzionamento della disposizione di accelerometri accoppiati della fig. 12 in un sensore di velocità su tre assi e di forza;

la fig. 16 è una vista laterale di un meccanismo per realizzare la disposizione ad accelerometri accoppiati della fig. 10;

la fig. 17 è una vista laterale di un meccanismo per realizzare la disposizione ad accelerometri accoppiati della fig. 11;

la fig. 18 è una vista laterale di un meccanismo per realizzare la disposizione ad eccelerometri accoppiati della fig. 12; e la fig. 19 è uno schema a blocchi di un circuito separatore di segnali del tipo mostrato nella fig. 2, includente l'aggiunta di

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un circuito pre-elaboratore per sommare e sottrarre i segnali di uscita degli accelerometri.

Descrizione di realizzazioni preferite Sistema ay = Fy + /x (r = qp) + 2cop costot generale e principio di separazione di segnali (fig. 1 e 2) 5 ( p + * |

ìa di descrivere le varie realizzazioni dell'invenzione co- \ 2oo /

B)

Prima di descrivere le varie realizzazioni dell'invenzione come illustrate nelle fig. 3-8, si ritiene che una discussione preliminare dei principi di separazione dei segnali e del sistema generale per misurare la forza specifica e la velocità angolare di un corpo in moto, il tutto come descritto nella domanda di brevetto e nell'articolo sopra citati, sarà utile per una migliore comprensione della presente invenzione e dei suoi vantaggi, particolarmente quando la presente invenzione viene realizzata in un tale sistema di misurazione.

Con riferimento alla fig. 1, l'equazione generale per l'accelerazione totale misurabile in una massa puntiforme in moto in un sistema rotante è

+ 2cop sincùt

(4)

+ qp (r coscot + p sincot) + %

dr a = F + ûxr + 2ûx dt d2r

+ Q x (Q X r) H

b " dt2

(1)

dove £2 è il vettore di regime o velocità angolare del sistema, F è il vettore di forza specifica ed r è la distanza istantanea della massa puntiforme dal centro di rotazione del sistema. In particolare r = p + /, in cui p è la distanza di vettore istantanea della massa puntiforme dal suo centro di rivoluzione, ed / è la distanza fissa del centro di rivoluzione dell'elemento fino al centro di rotazione del sistema. L'indice b indica una differenziazione rispetto agli assi del corpo rotante. L'equazione (1) può ora venire riscritta come segue:

a = F + Ûx(p+/) + 2Qx dp dt

+ û x [û x (p + /)] +

sostituendo d2 p dt2

(2)

Px

0 pxcoscot pxsincot

Py

=

pysincot 0 pycoscot

1

£z

pzcoscot pzsincot 0

_k dove j, 2 e k sono i vettori unitari rispettivamente nelle direzioni +x, +y e +z, incorporanti rispettivamente le componenti di rumore nx, ny, nz, e risolvendo a in ax, ay e az, ponendo px = py = pz = p e riordinando termini, abbiamo ax = Fx = /z (q + pr) + 2cop cocat

("=)

(■».)

(■4)

(-ir)

io az = Fz + /y (p + rq) + 2(op coscot

+ rp (p coscot + q sincot) + n;

+ 2cop sincot (5)

Ciascuno dei segnali di rumore n = [nx, ny, nz]' si presume sia costituito da tre componenti come segue:

20

dove nd = nv = 25 nr =

n = £d + nv + nr rumore (deriva) di bassa frequenza rumore periodico o casuale di vibrazione veicolare rumore casuale di sensore di frequenza zero-media elevata.

+ 2oop sincot (3)

+ pp (q coscot + r sincot) + nx

Così, nel sistema di accelerometro rotante illustrato nel brevetto sopra citato, oltre ai termini desiderabili sottolineati nelle 3o equazioni (3)-(5), vi è una varietà di addizionali termini indesiderabili, che contribuiscono potenzialmente ad errori. Questi risultano principalmente dai termini dinamici contenenti p, q, r e loro derivati, e dalle componenti di rumore di sensore contenute in n.

35 Come ulteriormente descritto nella sopra citata domanda di brevetto, un aspetto importante della detta invenzione è che essa fornisce mezzi per separare Fx da q, Fy da r, e Fz da p, in maniera tale che i termini indesiderabili vengano soppressi ad un livello sufficientemente basso così che viene sostanzialmente 4o eliminato l'effetto dei termini di prodotti incrociati qp, qr e rp.

Un vantaggio importante nell'impiego degli accelerometri vibranti secondo la presente invenzione è che i termini ortogona-

/ ^ \

h, per esempio 2cop sincot IrH 1 nella equazione (3) di

45 \ 2oo /

cui sopra (ed i corrispondenti termini nelle equazioni (4) e (5) di cui sopra) realmente cadono fuori, per cui si riduce anche ulteriormente questa sorgente di errore nella disposizione di accelerometri rotanti. Vale a dire, poiché questi termini ortogonali riso sultano dal movimento rotatorio degli accelerometri, essi non sono presenti nell'invenzione della presente domanda di brevetto implicante un movimento vibratorio degli accelerometri.

La figura 2 della presente domanda (che corrisponde alla fig. 4 del brevetto sopra citato) illustra sotto forma di schema a 55 blocchi una unità di misurazione inerziale (IMU) non giroscopica realizzante i sopra descritti principi di separazione di segnali rispetto ad un canale, precisamente quello dell'accelerometro Az, venendo notato che gli altri due canali per gli accelerometri Ax e Ay sono costruiti in modo simile.

60 L'unità illustrata nella fig. 2 include tre sottosistemi principali, precisamente: un generatore di impulsi di comando, genericamente indicato con 2; un eccitatore elettromeccanico, genericamente indicato con 3, per fare ruotare ciascuno degli accelerometri della triade illustrata nella fig. 1; ed un elaboratore 65 elettronico di separazione di segnali, genericamente indicato con 4.

Il generatore 2 di impulsi di comando viene eccitato tramite un multivibratore astabile 21 avente una frequenza di riferi-

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mento 4f (f = 1/T) di alta precisione. Il multivibratore controlla un generatore 22 di onde quadre che genera onde quadre ad una frequenza f. Queste onde quadre vengono usate come impulsi di sincronizzazione. Esse vengono applicate ad un generatore 23 di impulsi di comando di azzeramento ed integrazione, e ad un generatore 24 di impulsi di campionatura, i quali generatori vengono usati per comandare il funzionamento del processore 4, come verrà descritto più particolarmente in appresso.

Impulsi di sincronizzazione dal generatore 22 di onde quadre vengono inoltre applicati ad un generatore 31 di segnali di eccitazione entro il sistema elettromeccanico 3 di eccitazione. Gli impulsi di uscita del generatore 31 eccitano gli accelerometri del complesso 32 in maniera che gli accelerometri vengono fatti ruotare intorno ai loro rispettivi assi ad una frequenza predeterminata (co) uguale a 2 n f. Così, quando il corpo al quale è fissato senza sospensione cardanica il complesso 32 di accelerometri viene sottoposto ad una forza specifica Fz e ad una velocità angolare p di rollio, esso produce una risultante uscita az.

L'uscita az degli accelerometri viene inviata al processore 4 per separare da essa il vettore Fz di forza specifica ed il vettore p di velocità angolare in maniera da sopprimere sostanzialmente le componenti indesiderabili del segnale az in accordo con le equazioni (3)-(5) sopra discusse. In questo caso consideriamo le componenti Fz e p, così che l'equazione (5) è quella pertinente.

Pertanto, il processore 4 include un circuito 41 moltiplicatore o commutatore di segno per moltiplicare i valori introdotti az per la funzione periodica con media zero «sgncoscot» (segno di coscot) che emette il segnale di prodotto az • sgncoscot. Quest'ultimo segnale viene inviato ad un circuito integratore 42 che integra il segnale di prodotto per il periodo ciclico T. Il circuito integratore 42 viene azzerato alla fine del periodo T dal generatore 23 di impulsi di comando ma, prima di venire azzerato, esso invia il suo contenuto ad un circuito 43 di campionatura e mantenimento, il quale ultimo circuito viene comandato dal generatore 24 di impulsi di campionatura. Come sopra descritto, questa elaborazione del segnale az di uscita degli accelerometri fa sì che il contenuto del circuito 43 di campionatura e mantenimento corrisponda alla componente «p» di velocità angolare.

Il segnale az di uscita degli accelerometri viene inoltre inviato ad un secondo canale entro il processore 4, includente un secondo circuito integratore 44 che integra il detto segnale nel periodo T. Il circuito integratore 44 viene anche azzerato alla fine del periodo T dal generatore 23 di impulsi di comando ma, appena prima di venire azzerato, esso invia il suo contenuto ad un altro circuito 45 di campionatura e mantenimento, comandato dal generatore 24 di impulsi di campionatura. Dalla precedente discussione si noterà che il contenuto del circuito 45 di campionatura e mantenimento corrisponderà al vettore di forza specifica Fz.

Si può ora fare riferimento al brevetto sopra citato per una ulteriore descrizione del sistema complessivo e dei vantaggi forniti dal principio di separazione di segnali sul quale è basato il detto sistema, venendo notato che i medesimi vantaggi verrebbero applicati alla presente invenzione quando realizzata in un tale sistema di misurazione, oltre agli ulteriori vantaggi ottenibili tramite l'invenzione della presente domanda, come descritto più particolarmente in appresso.

Princìpio dell'uso di accelerometri vibranti (fig. 3)

In breve, l'invenzione della presente domanda utilizza accelerometri vibranti per generare i segnali di uscita di accelerometro da cui vengono derivate le componenti del vettore di forza specifica £ e le componenti del vettore di velocità angolare Q sopprimendo sostanzialmente le componenti indesiderabili di tali segnali. Ciò è illustrato nella fig. 3 che è simile allo schema della fig. 1 ma include accelerometri vibranti anziché accelerometri rotanti. La fig. 3 illustra così una triade di accelerometri

Ax, Ay, Az, sistemati in modo da vibrare ad una ampiezza «p» e ad una frequenza «co» rispettivamente nei piani (x, y), (y, z) e (x, z), con gli assi di ingresso sensibili allineati come mostrato nelle direzioni x, y, z.

Meccanizzazioni specifiche di accelerometri vibranti sono illustrate nelle figg. 4 fino a 9 da descrivere in appresso. Queste figure illustrano solo un canale e precisamente quello dell'accelerometro Az, in cui l'asse sensibile dell'accelerometro per il vettore di forza specifica è l'asse Z, e l'asse di vibrazione è l'asse Y, l'asse sensibile per il vettore di velocità angolare essendo l'asse X. Pertanto, l'accelerometro Az, che vibra lungo l'asse Y, misura la forza specifica inerziale e la velocità angolare del corpo in moto rispetto agli assi di riferimento Z ed X. Si noterà che gli altri due canali, cioè per gli accelerometri Ax ed Ay, sono costruiti in modo simile e forniscono corrispondenti misurazioni per i loro rispettivi assi. Preferibilmente la frequenza (co) di vibrazione degli accelerometri in tutte le realizzazioni descritte in appresso è 30-60 Hz, e lo spostamento durante i loro moti di vibrazione è tipicamente nel campo di 0,25-3 mm.

Come indicato in precedenza, uno dei vantaggi principali nell'impiego di accelerometri vibranti, rispetto ad accelerometri rotanti, è che i termini ortogonali nelle equazioni (3)-(5) (per

/ q \

esempio 2ycopr sincot 1 r + I nella equazione 3) non esi-

\ 2(ù /

stono mai, permettendo così intrinsecamente una prestazione complessiva molto migliore. Molti altri vantaggi vengono descritti più particolarmente in appresso.

Disposizione di accelerometri vibranti delle figg. 4 fino a 6

Il complesso di accelerometro illustrato nella fig. 4, qui generalmente indicato con 50, comprende un involucro cilindrico esterno 52 che racchiude una unità 54 di accelerometro contenente una massa 56 di prova di accelerometro. La unità 54 di accelerometro è portata da una piastra 58 di montaggio, montata elasticamente entro l'involucro 52 tramite un diaframma elastico 60, il quale diaframma vincola il movimento della unità 54 di accelerometro solo lungo l'asse Y, questo essendo l'asse di vibrazione, e perpendicolare all'asse Z, che è l'asse sensibile al vettore di forza specifica per il complesso di accelerometro, come sopra notato.

Il mezzo di eccitazione par fare vibrare l'unità 54 di accelerometro lungo l'asse Y comprende un magnete permanente 62 di struttura cilindrica, fissato entro l'involucro 52 in corrispondenza di una sua estremità, e formato con un intraferro cilindrico 64 coassiale all'asse Y di vibrazione del complesso di accelerometro. Il mezzo di eccitazione include inoltre una bobina 66 di eccitazione portata da un rocchetto cilindrico 68 fissato alla piastra 58 di montaggio di accelerometro entro l'intraferro cilindrico 64 e coassiale all'asse Y di vibrazione. La bobina 66 di eccitazione è atta a ricevere corrente di eccitazione sinusoidale producendo una forza che fa sì che l'unità 54 di accelerometro, include la sua massa 56 di prova e la piastra 58 di montaggio, si muova sinusoidalmente lungo l'asse Y di vibrazione, come vincolata dalla forza elastica del diaframma 8.

Il complesso di accelerometro illustrato nella fig. 4 include inoltre mezzi di rivelazione disposti entro l'involucro 52 ed accoppiati alla unità 54 di accelerometro e alla sua massa 56 per misurare la velocità del suo spostamento lungo l'asse Y di vibrazione. Tali mezzi di rilevazione possono comprendere un altro magnete permanente 70 (od una bobina di campo senza ferro) ed una bobina 72 di rivelazione che può cooperare con esso in un'altra estremità dell'involucro 52. Il magnete permanente 70 è anche di costruzione cilindrica ma di dimensioni molto minori rispetto al magnete 62 di eccitazione, ed è anche eseguito con un intraferro cilindrico 74, e la bobina 72 di rivelazione è anche portata da un rocchetto cilindrico 76 assicurato alla unità

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54 di accelerometro, così che la bobina 72 di rivelazione è disposta entro l'intraferro 74 ed è coassiale all'asse Y di vibrazione del complesso di accelerometro.

Il complesso di accelerometro illustrato nella fig. 4 include inoltre un primo gruppo di terminali esterni 77, collegati tramite conduttori elettrici (non mostrati) alla bobina 66 di eccitazione per alimentare la corrente di eccitazione, e con la bobina 76 di rivelazione che misura il moto della unità 54 di accelerometro, e un secondo gruppo di terminali esterni 78, collegati tramite conduttori elettrici (non mostrati) a terminali interni 79 portati dalla unità 54 di accelerometro, per alimentare le tensioni di alimentazione ed i segnali di uscita verso e dalla unità 54 di accelerometro.

Si vedrà pertanto che la corrente di eccitazione sinusoidale (I = Imsincot) alimentata alla bobina 66 di eccitazione esercita una forza proporzionale ad essa, e fa in modo che l'unità 54 di accelerometro, include la sua massa 56 e la piastra 58 di montaggio, vibri sinusoidalmente lungo l'asse Y, come vincolata dal diaframma elastico 60, in maniera simile alla eccitazione di un altoparlante. La bobina 72 di rivelazione, che si muove con la unità 54 di accelerometro, induce una tensione proporzionale alla velocità del moto sinusoidale della unità 54 di accelerometro, la velocità di moto misurata lungo l'asse Y (cioè y) venendo emessa tramite i terminali 77. Pertanto, se il moto dovuto a I = Imsincot è y = ymsin(cot + <{)) = p sin (eût + 4)), in cui <]> è uno sfasamento dovuto al ritardo dinamico del complesso in moto, la corrispondente velocità è y = pcocos • (cot + <|>). Il segnale emesso dalla bobina 72 di rivelazione costituisce questa velocità misurata (y) del complesso in moto includente l'unità 54 di accelerometro.

La fig. 5 illustra come questa velocità misurata (y), emessa dalla bobina 72 di regolazione, venga anche usata per imprimere un moto comandato ad anello chiuso della unità 54 di accelerometro, comandando l'alimentazione della corrente di eccitazione alla bobina 66 di eccitazione.

Pertanto, il generatore 80 di segnali di comando, sincronizzato tramite gli impulsi 81 di ingresso, genera il segnale V = Vm coscot, che viene alimentato tramite un conduttore 82 ad un amplificatore differenziale 84 di potenza. L'uscita dell'amplificatore 84 è collegata tramite un conduttore 86 alla bobina 66 di eccitazione del complesso di accelerometro illustrato nella fig. 4, eccitando così il complesso per mezzo di una corrente I = Im sin(cot + (j>). Questa ultima corrente produce la forza F = Fm • sin(cot + <j>) che provoca il moto (indicato dalla freccia 88 di uscita) y = pcocos(ü)t + (J)). Questo ultimo moto viene misurato dalla bobina 72 di rivelazione nella fig. 4 e viene inviato, tramite un conduttore 90, ad un altro terminale di ingresso dell'amplificatore differenziale 84 di potenza. La piccola differenza tra il segnale sul conduttore 90 ed il segnale V = Vm coscot viene amplificata per creare il segnale di eccitazione I = Im sin(rat + (|>).

La disposizione della fig. 5 è un anello di retroazione negativa avente un guadagno totale L di anello determinato dal guadagno dell'amplificatore 84 e della bobina 72 di rivelazione. A coloro pratici della tecnica è chiaro che, prevedendo L > 1, si assicura che y seguirà strettamente V = Vm coscot, e che un possibile disturbo di forza Fa, mostrato schematicamente tramite la linea tratteggiata 92, ecciterà un disturbo nella velocità y dato da ya — Fd/L. Poiché L > 1, yd può venire soppresso fino ad un livello trascurabilmente basso, forzando così la unità 54 di accelerometro e la massa 56 nella fig. 4 a comportarsi per tutti gli scopi pratici come un corpo rigido rispetto a forze disturbanti lungo l'asse Y.

Si vedrà pertanto che il sistema di eccitazione ad anello chiuso della fig. 5 fornisce lungo l'asse Y una velocità lineare sinusoidale ben regolata e controllata. L'amplificatore 84 è progettato in termini di risposta di frequenza in maniera che la funzione di trasferimento ad anello chiuso della fig. 5, contrassegnata con H (od) à y (a>)/Vi (co), è piatta fino ad una larghezza di banda «b», in modo che b > co, e lo sfasamento <)> = H (cd) alla frequenza co di eccitazione è praticamente zero. Il sistema di eccitazione a retroazione con alto guadagno genera il moto richiesto con una trascurabile distorsione non lineare e di fase.

Verranno ora dimostrati due aspetti di maggiore importanza:

(1) grande larghezza di banda e piccola distorsione di fase del sistema ad anello chiuso; e

(2) immunità da distorsione non lineare, dovuta alla bobina 72 di rivelazione di velocità.

(1) Nei riguardi dell'aspetto (1) di cui sopra, la funzione di trasferimento ad anello aperto della eccitazione elettrodinamica è data da:

F = B/J = B l u/Rc in cui:

B = induzione magnetica;

l = lunghezza della bobina di eccitazione;

Rc = resistenza della bobina di eccitazione;

J = u/Rc; e u = tensione di ingresso ai terminali di bobina.

Ora, se:

m = massa del complesso in moto;

b = coefficiente di smorzamento; e c = costante elastica del diaframma allora:

b c

F = m'y + by + cy -s- m (s2 -l s H ) y;

m m

B/

u = (s2 + 2co„ Ç s + co„2) y;

mRc

B / f~T 1 b

Kè ; CDn ê / —

mRc Km 2 |/ me

Ks y = u

S2 + 2C0n ç s + COn2

Indicando con Vi la tensione di eccitazione di ingresso (uscita del generatore 80 di segnali di eccitazione nella fig. 5), possiamo esprimere la funzione di trasferimento ad anello chiuso con:

AKS

y s 2 + 2 2où„ Ç s + (o„2 AKs u AKs s2 + (2ffln Ç + AKH) s + cù22

1 + H

S2 + 2cûn C S + On2

dove H è il fattore di scalatura della bobina 72 di rivelazione di velocità nella fig. 5.

Si verifica facilmente che K possa essere molto grande. Tramite la sua definizione ed usando unità elettromagnetiche si ha:

B / B / B

K = = = S

lOmRc WRC W p

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dove W = peso della massa in moto;

p = resistività di una bobina di rame; e S = sezione trasversale del filo di bobina;

pertanto, per B = IO4 Gauss; W = 100 g; S = IO"4 cm2; p (per rame) = 1,6 X IO"6:

IO4 x IO"4 IO4

K = = = 6000

100 X 1,6 X IO*6 1,6

Presumendo per esempio A = 100, chiaramente AKH è dell'ordine di IO5 fino a IO6. Pertanto AKH > 2con Ç e la rela-1

zione y = — Vi si conserva Su una larghezza di banda molto H

ampia, così che la distorsione di fase <j> può venire resa trascurabilmente piccola per la frequenza di eccitazione di 30-60 Hz.

1

(2) Riguardo all'aspetto (2) di cui sopra, poiché y — — Vi,

H

possiamo scrivere y = hVi, dove h à —.Si presuma che una

H

possibile non linearità venga espressa come segue:

y = h0Vi + h,Vi2

Per Vi = Vim coscot abbiamo y = h0 Vim coscot + hi Vim2 cos2cot =

hlVim2 hjVim2

h0Vim COSCOt + H COS2COt

2 2

L'operazione di sgncoscot del processore di separazione di segnali e l'integrazione nel periodo ciclico T, fanno chiaramente hi Vim hiVjm2 cos2cot calare le contribuzioni dovute ad e •

2 2

Pertanto il sensore 72 di rivelazione di velocità non è critico riguardo ad esigenze di linearità.

Si noterà che, quando l'invenzione viene applicata ad un sistema di guida inerziale del tipo senza sospensione cardanica, un complesso 50 di accelerometro, come illustrato nella fig. 4, includente una eccitazione ad anello chiuso come illustrato nella fig. 5, verrà applicato per ciascuno dei tre assi, con l'involucro esterno 52 del complesso di accelerometro montato sul veicolo (cioè sul corpo in moto). In un tipo di sistema di guida inerziale con piattaforma stabile a sospensione cardanica, l'involucro esterno 52 del complesso 50 di accelerometro per ciascun asse verrà applicato alla sospensione cardanica interna della piattaforma.

Nell'una e nell'altra applicazione, il moto vibratorio del complesso accelerometro può provocare forze di reazione che agiscono sul supporto dell'involucro esterno 52. Per evitare queste indesiderate forze di sbilanciamento, due complessi vibranti, come mostrato in 50a e 50b nella fig. 6, possono venire montati dorso a dorso, un complesso includendo un accelerometro, come sopra descritto, che vibra in sincronismo ma in direzione opposta rispetto all'altro complesso che fa vibrare una massa di controbilanciamento che bilancia dinamicamente il complesso di accelerometro.

Disposizione di accelerometro oscillante della fig. 7

La fig. 7 illustra un secondo tipo di deposizione di accelerometro vibrante, e precisamente una in cui l'accelerometro viene fatto ruotare tramite un generatore elettrico di coppia attraverso un piccolo moto oscillatorio angolare (per es. di pochi gradi) il quale esegue il moto vibratorio quasi lineare. L'asse sensibile dell'accelerometro è parallelo all'asse di rotazione. Un'adatta massa di bilanciamento è prevista per bilanciare dinamicamente l'accelerometro durante il suo moto oscillatorio, così che nessuna forza ersterna viene impartita al corpo sul quale è montato il complesso.

Pertanto, il complesso di accelerometro illustrato nella fig. 7, qui genericamente indicato con 100, comprende un involucro cilindrico esterno 102 che monta girevolmente un albero 104 tramite cuscinetti rotatori 106 e 108. All'albero 104 è assicurato un disco o una piastra 110 che serve come organo di supporto per supportare una unità 112 di accelerometro avente una massa 114 di prova. Il disco 110 porta anche una massa 116 di controbilanciamento sul lato opposto del disco.

Il disco 110 viene mosso con un piccolo moto oscillatorio angolare per mezzo di un generatore elettrico di coppia includente uno statore 18 fissato all'involucro 102 e un rotore 120 fissato all'albero 104. Un rotore 122 di rivelazione è assicurato alla estremità opposta dell'albero 104 ed è disposto entro uno statore 124 di rivelazione assicurato all'involucro 102.

Le connessioni elettriche possono essere uguali a quelle illustrate nella fig. 5, in cui l'amplificatore differenziale 84 di potenza alimenta la corrente di eccitazione ai conduttori dello statore 118 del generatore di coppia in modo da muovere il suo rotore 120 e con ciò l'accelerometro 112 e la massa 116 di controbilanciamento assicurata al rotore 120 del generatore, in un piccolo moto oscillatorio angolare avente un'ampiezza «v|/». Ciò provocherà Io spostamento y = rv, dove «r» è il raggio dall'asse 130 di rotazione dell'albero 104 fino al centro di gravità della massa 114 di prova dell'accelerometro. Pertanto, se i|/ = Vm sincot, allora y = rco\|/mcoscot puntando nel piano della carta. Si noterà che il movimento oscillatorio dell'accelerometro 112 entro e fuori il piano della carta è sostanzialmente lineare lungo un asse perpendicolare all'asse sensibile Z dell'accelerometro.

A guisa di esempio, «r» può essere circa 3 cm; il moto oscillatorio angolare può essere di pochi gradi; e l'ampiezza di spostamento dell'accelerometro può essere 0,25-3 mm.

Il rotore rivelatore 122 fissato all'albero 104 rivela la velocità angolare \|i = coi|/mcoscot. Come nel caso della bobina 72 di rivelazione nella fig. 5, l'uscita del rotore rivelatore 122 nella fig. 7 può essere collegata sotto forma di una retroazione entro l'amplificatore differenziale 84 a cui attraverso il conduttore 82 viene alimentata la tensione di eccitazione Vi = Vmcoscot. Pertanto, la velocità angolare \y nella disposizione della fig. 7, viene fatta seguire strettamente la tensione di eccitazione V; =

VmCOSCOt.

Questa disposizione illustrata nella fig. 7 ha numerosi vantaggi rispetto a quella sopra descritta nei riguardi delle figg. 4-6, incluse una maggiore semplicità di parti meccaniche, una elevata precisione di realizzazione del moto, e una immunità sostanzialmente completa da accelerazioni lineari in tutti gli assi.

Disposizione a diapason delle figg. 8 e 9

La fig. 8 illustra un terzo tipo di complesso di accelerometro vibrante, precisamente uno in cui si impiega un diapason che può essere previsto per ciascun asse sensibile del corpo in moto allo scopo di fornire un bilanciamento dinamico delle forze nonché vantaggi importanti da descrivere in appresso. La fig. 9 illustra una maniera di collegare il complesso di accelerometro vibrante della fig. 8 in modo da formare un oscillatore elettromeccanico per oscillazioni prolungate del complesso di accelerometro a diapason, con solo una piccola entità di potenza immessa, sufficiente a compensare la perdita di energia dovuta ad attrito.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

663 671

8

Riferendosi dapprima alla fig. 8, il complesso di accelerometro vibrante qui genericamente indicato con 200, comprende un involucro cilindrico esterno 202 in cui è montato un diapason 204, includente una coppia di bracci 204a, 204b. I bracci si estendono paralleli all'asse sensibile del rispettivo complesso di accelerometro, questo essendo l'asse Z nella fig. 8, e con ciò perpendicolarmente all'asse di vibrazione del complesso di accelerometro, questo essendo l'asse Y nella fig. 8. Il diapason 204 è montato entro l'involucro 202 per mezzo di un ritto 206 di montaggio, assicurato ad una traversa intermedia 204c del diapason.

L'involucro 202 include inoltre un altro ritto 208, allineato con il ritto 206 ma distanziato da esso ed anche dalla traversa 204c del diapason 204. Il ritto 208 viene usato per montare, su un lato, un magnete permanente 210 cooperante con una bobina 212 di eccitazione e, sull'altro lato, un magnete permanente 214 cooperante con una bobina 216 di rivelazione. I due magneti permanenti 210 e 214 sono di configurazione cilindrica e includono intraferri cilindrici entro i quali sono disposte la loro rispettiva bobina 212 di eccitazione e bobina 216 di rivelazione, ciascuna di queste ultime bobine essendo portata da rocchetti cilindrici 218 e 220 assicurati alle facce interne dei due bracci 204b e 204a.

Alla faccia esterna del braccio 204b del diapason è assicurata, per mezzo di un montaggio 222, una nuità 224 di accelerometro avente una massa 226. In maniera simile, alla faccia esterna del braccio 204a del diapason è assicurata un'altra massa 228 in modo da fornire un controbilanciamento per la unità di accelerometro e per la sua massa 226.

Le connessioni elettriche con la bobina 211 di eccitazione e con la bobina 216 di rivelazione nonché con la unità 224 di accelerometro sono fornite da terminali 230 e 232 estendentisi all'esterno dell'involucro 202 e da terminali 234 internamente all'involucro e collegati alla unità 224 di accelerometro.

Si noterà che il diapason 204 nella fig. 8 vibra alla sua frequenza naturale e con ciò fa muovere l'unità 224 di accelerometro e la sua massa 226 sul braccio 204b in sincronismo ma in direzioni opposte rispetto alla massa 228 di controbilanciamento sul braccio 204a. Pertanto, nessuna forza netta viene esercitata sull'involucro 202 e quindi su qualsiasi supporto al quale sia assicurato il complesso 200 di accelerometro vibrante. Come sopra descritto nei riguardi delle figg. 4-6, questo supporto sarebbe il corpo mobile stesso in un'applicazione senza sospensione cardanica, e la sospensione cardanica interna di una piattaforma in un'applicazione con piattaforma stabile a sospensione cardanica. La disposizione illustrata nella fig. 8 fornisce pertanto un elevato grado di bilanciamento dinamico.

A causa di attrito e di smorzamento, le oscillazioni del diapason 204 diminuirebbero fino a «0» in un periodo di tempo relativamente breve. Per prolungare indefinitamente le oscillazioni, il complesso 200 di accelerometro vibrante illustrato nella fìg. 8 può venire collegato in modo da formare un oscillatore elettromeccanico, come illustrato nella figura 9.

Pertanto, come mostrato nella fig. 9, il segnale attraverso la bobina 216 di rivelazione viene inviato ad un amplificatore 240 la cui uscita è collegata all'ingresso della bobina 212 di eccitazione. L'amplificatore 240 è di una polarità tale da rinforzare qualsiasi spostamento iniziale dei bracci 204a, 204b del diapason 204. Pertanto, il sistema opera come un oscillatore elettromeccanico avente una frequenza determinata dalla frequenza naturale del diapason. Questa frequenza naturale può venire usata per sincronizzare esattamente la frequenza del multivibra-tore astabile 21 nella fig. 2.

Preferibilmente, l'amplificatore 240 è del tipo non lineare, tale da includere un dispositivo di saturazione, così da forzare l'oscillatore elettromeccanico completo a stabilizzarsi ad una ampiezza finita.

Se vedrà pertanto che la disposizione di complesso di accelerometro a diapason illustrata nelle figg. 8 e 9 fornisce un sistema dinamico di bilanciamento a causa delle masse che si muovono in senso contrario, e richiede solo una piccola entità di potenza per la bobina 212 di eccitazione, semplicemente per compensare la perdita di energia dovuta ad attrito. Il complesso, essendo un oscillatore nettamente sintonizzato, respinge disturbi meccanici nell'asse di vibrazione (asse Y nella fig. 8) a meno cher essi siano esattamente alla frequenza di risonanza. Inoltre, la struttura è intrinsecamente rigida nell'asse sensibile di accelerometro, e precisamente l'asse Z. Inoltre, poiché il complesso opera alla frequenza naturale e sincronizza il multi-vibratore 21 del generatore 2 di impulsi di comando nella fig. 2, non vi sono ritardi di fase implicati tra coscot e sgncoscot. Inoltre ancora, il complesso di accelerometro è estremamente semplice e può venire costruito a basso costo.

I vantaggi, ottenibili mediante l'uso di accelerometri vibranti, come sopra descritti, consentono la costruzione di IMU aventi teoricamente un tempo medio tra malfunzionamenti (MTBF) molto più elevato che le IMU di tipo giroscopico o di tipo ad accelerometro rotatorio.

Mentre la dimensione è stata descritta rispetto a varie realizzazioni preferite, si noterà che queste sono riportate solamente a scopo di esempi. Pertanto, vi sono molte altre possibili disposizioni per produrre il moto vibratorio, per esempio mediante l'impiego di dispositivi meccanici, come camme o tiranterie, per trasformare un moto di rotazione, per esempio da un motore elettrico (preferibilmente sincrono), fino ad un moto vibratorio. Saranno evidenti molte altre variazioni, modifiche ed applicazioni dell'invenzione.

Disposizioni ad accelerometri accoppiati

Significativi miglioramenti nella forza dei segnali per entrambi i canali di forza e di velocità possono venire ottenuti, mentre contemporaneamente si può ottenere una riduzione di rumore di segnale, quando per ciascun asse di rotazione vengano usate coppie di accelerometri invece di un singolo accelerometro come mostrato nella fig. 3. Illustrazioni semplificate di tre disposizioni di accelerometri accoppiati sono previste nelle figg. 10-12. Un vantaggio significativo nell'utilizzare accelerometri disposti a coppie, come mostrato nelle figg. 10-12, è che il rumore presente in entrambi i canali di forza e di velocità della fig. 2 viene accresciuto solo per la radice quadrata di due, mentre i segnali efficaci di forza e di velocità vengono raddoppiati, fornendo così un aumento efficace di una radice di due nel rapporto tra segnale e rumore. Inoltre, disturbi di accelerazione in comune nel canale di velocità, dovuti a forze esterne che possono risultare da sorgenti di veicoli e di meccanizzazione, vengono sostanzialmente cancellati in questo tipo di disposizione.

La prima disposizione di accelerometri accoppiati è illustrata nella fig. 10 dove una coppia di accelerometri 300 e 302 è montata su una base 304 rotante angolarmente, la quale vibra intorno all'asse Z 306 come indicato dalle frecce 308. Gli assi e Al sensibili alla forza degli accelerometri 300 e 302 sono allineati in modo da essere paralleli all'asse Z 306 intorno al quale vibra il supporto 304. Poiché la disposizione della fig. 10 include una coppia di accelerometri con i loro assi Ai e A| sensibili alla forza paralleli all'asse 306 di vibrazione, questa disposizione verrà chiamata in appresso disposizione PAPVA.

La seconda disposizione di accelerometri accoppiati è mostrata nella fig. 11, dove due accelerometri 310 e 312 sono montati su un supporto 314 che vibra angolarmente intorno all'asse Z indicato con 318, come accennato dalle frecce 316. In questa disposizione, gli accelerometri 310 e 312 sono assicurati al supporto 314 in una disposizione dorso a dorso tale che gli assi Ax e Ai sensibili alla forza sono paralleli ma in direzione opposta, e sono perpendicolari all'asse 318 di vibrazione angolare.

Questa disposizione verrà chiamata in appresso disposizione

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

9

663 671

PANVA per indicare una coppia di accelerometri sottoposti a moto angolare con il loro asse sensibile alla forza perpendicolare all'asse del moto di vibrazione od angolare.

La terza disposizione è illustrata nella fig. 12, dove due accelerometri 320 e 322 sono disposti dorso a dorso con i loro assi A} e Ay sensibili alla forza collocati in direzioni parallele ma opposte. In questa disposizione, gli accelerometri 320 e 322 vengono fatti vibrare in una direzione lineare lungo l'asse X, come indicato dalle frecce 324 e 326. Per convenienza, questa disposizione verrà chiamata in appresso con PLNVA in ragione del fatto che essa è una disposizione di accelerometri accoppiati, fatti vibrare in maniera lineare lungo un asse di vibrazione che è perpendicolare all'asse sensibile alla forza.

Le figg. 13-15 corrispondono rispettivamente alle disposizioni PAPVA, PANVA e PLNVA delle figg. 10-12, e forniscono una illustrazione concettuale di come accelerometri accoppiati possono venire sistemati in triadi. Nelle figg. 13-15 gli accelerometri sono indicati dai loro assi AL Al, Ay, Ay, Az e Al sensibili alla forza e si dimostrano sensibili alla forza e sensibili alla velocità angolare lungo ed intorno agli assi ortogonali X, Y e Z. Le disposizioni mostrate nelle figg. 13-15 sono atte all'impiego in un sistema di riferimento inerziale che può a sua volta venire usato in un sistema di navigazione inerziale.

Nel meccanismo PAPVA mostrato nele figg. 10 e 13, sono richiesti sei accelerometri, cioè Ai, Ai, Ay, Ay, Ai e Al. le coppie di accelerometri vengono fatte vibrare ad una frequenza angolare costante co e ampiezze angolari costanti 6m- Il principio di separazione dei segnali di forza e di velocità angolare è sostanzialmente uguale a come illustrato nella fig. 2. Le uscite degli accelerometri contengono la medesima informazione fondamentale per la rotazione angolare £2 e la forza F, sebbene il reale contenuto dei segnali sia un pò differente.

Nello sviluppare equazioni che descrivono il contenuto di segnale degli accelerometri della fig. 13, la distanza istantanea di ciascun accelerometro dal centro di rotazione del veicolo è data da:

0 LCos 8 lz + LSin 8

0 -LCos 8 lz-LSin 8

lx + LSin 8 0 LCos 8

lx-LSin 8 0 -LCos 5

IAi

IA2

IAj

IA2

=

-Ai

ÎA1

LCos 8 ly + LSin 8 0

-LCos 8 L-LSin 8 0

(6)

e definendo: 20 S = SMScot 8 = co SMCcût mentre si presume

25

Sin 8 = 8 = SMScot Cos 8 = 1-1/2 8M2S2cot e definendo:

30

L SM à p/2

Sostituendo allora le equazioni (6) - (10) nella equazione (1) e sviluppando, risultano le seguenti equazioni di uscita di accelerometro:

(7)

(8)

(9) (10)

ai + Fx + lz(pr + q) + — Scot(pr + q) + L(qp-r) + 2co — Ccot(q + 8MScot • r) 2 2

-1/2L 8M2S2cot(qp-r) - 2co — Ccùt(l/2) SM2S2cot-q

2

(11)

al = Fx + lz(pr + q) - — S cot(pr + q) - L(qp-r) - 2co — Ccot(q + SMScot • r) 2 2

+ 1/2L 8M2S2cot(qp-r) + 2co — Ccot(l/2) 8M2S2cot-q

2

(12)

ajr = Fy + lx(pq + r) H Scot(pq + r) + L(qr-p) + 2co — Ccot(r + SMScot-p)

l/2L8M2S2cot(qr-p) - 2co — Ccot(l/2) 8M2S2cot-r 2

(13)

a£ = Fy + lx(pq + r) Scot(pq + r) - L(qr-p) - 2co— Ccot(r + 8MScùt ■ p)

+ l/2L8M2S2cot(qr-p) + 2co — Ccot(l/2) 8M2S2cot-r

2

(14)

ai = Fz + L(qr + p) H Scot(qr + p) + L(pr-q) + 2co — Ccot(p +SMScot-q) -

2 2

- Ll/2 8M2S2cot(pr-q) - 2co — Ccot(l/2) 5M2S2<ut-p

2

(15)

al = Fz + ly(qr + p) Scot(qr + p) - L(pr-q) - 2co — Ccot(p + SMScot-q) +

+ Ll/2 8M2S2cot(pr-q) + 2co — Ccot(l/2) 8M2S2cot-p

2

(16)

663 671

10

Prima di entrare nel processore di segnali della fig. 19, i segnali di accelerometro vengono preelaborati come somme e differenze, come mostrato nella fig. 19 in accordo con la seguente equazione in matrice:

p, q e î nelle equazioni (18) - (20) vengono sostituiti nella equazione (22) e per ottenere una stima di Fx, Fy e Fz come definiti dalle seguenti equazioni (23)

1

&

1

ay

al

Fx

ax ss

Fy

ay

Fz

_a*_

1 -

1

0

0

0

0

0

0

1 -

1

0

0

0

0

0

0

1 -

1

1/2 1/2 0

0 1/2 1/2 0

0 0 0 0

1/2 1/2

ai ax ay a2 ay ai al

Fx =

Fv = -

(17)

ìf.

c /:

axdt avdt a2dt

(23)

Presumendo di nuovo che £ ed Q siano sostanzialmente costanti nell'intervallo T, tutte le derivate temporali svaniscono nelle equazioni (11)-(16). Sostituendo di conseguenza nella equazione (17) e sviluppando:

25

a§ = 2cop Ca>t(q+SMScot-r) + pScot-pr + 2Lqp -

- L 8M2S2cot qp - 2cop Ccot(l/2) 5M2S2cot • q ay = 2t»p Ccot(r + SMScût-p) + pScotpq + 2Lrq -

- L 8M2S2cot rq - 2oap C©t(l/2) 8M2S2a>t-r al = 2oop Ccot(p +SMScot-q) + p Soot qr + 2Lpr -

- L 8M2S2cot pr - 2cop Ccot(l/2) 8M2S2cot-p

Fx, Fy e Fx nella equazione (21) vengono sostituiti nella equazione (23). I risultati corrispondenti sono:

p = p (1 - 1/6 Sm2)

3 = q (1 - 1/6 Sm2)

r = R (1 - 1/6 SM2)

(24)

(18)

(19)

(20) 35

e

Fx n?

Il

+ lzpr

Fy

&ÌT u

+ lxpq

Fz il

+ lyqr

(25)

Fx ax

Fz az

= Fx + lzpr

Fy + lxqp

= Fz + lyqr

Pertanto, si ottengono due vantaggi attraverso la meccanizzazione accoppiata: tutte le componenti di forza specifica vengono allontanate dai segnali di accelerazione nelle equazioni (18) - (20) e tutte le componenti di velocità angolare vengono allontanate dai segnali della equazione (21). Ciò migliora significativamente il disaccoppiamento di F] da £2.1 termini di rumo re di modo in comune, a causa di rumore di veicolo, vengono anche rimossi dal canale £2, come si può vedere dalle equazioni (18) - (20). Per ottenere stime di p, q e r come definite dalle equazioni (22) in appresso

P =

/'

j o

Lf

3p / •> o a§ Sgn(Ccot)dt q = / aj Sgn(Ccot)dt

8 i r =

8 p f\

J o

Pertanto, p, c| e r vengono determinati esattamente, eccetto per un fattore costante noto di scalatura, e Fx, Fy e Fz sono (21) 40 uSua" a Quelli determinati in precedenza.

Si può vedere dalle equazioni di cui sopra che le uscite ottenute sono in molti rispetti equivalenti alla meccanizzazione che impiega un singolo accelerometro. Inoltre, l'effetto di rumore veicolare nel canale £2 viene quasi cancellato in virtù della re-45 pulsione di modo in comune ottenuta attraverso l'accoppiamento di accelerometri come indicato dalla equazione (24). Tuttavia, gradienti nel rumore veicolare lungo L mantengono ancora un certo rumore nel canale Q. Pertanto, poiché L sarà normalmente di pochi centimetri, il rumore veicolare non viene intera-50 mente cancellato. Attraverso una possibile vibrazione angolare residua dell'asse di eccitazione, può venire trattenuto un rumore residuo, sincrono ed incontrollato e può comparire come polarizzazione incognita nel canale ß. Inoltre, la meccanizzazione nella fig. 13 in linea di principio è bilanciata dinamicamente.

Come illustrato nella fig. 14, sei accelerometri Ai, Al, Ay, Ay, Ai e Al vengono usati nella meccanizzazione PANVA. Di nuovo le coppie di accelerometri vengono fatte vibrare alla frequenza angolare co e ampiezza angolare p. Le uscite di accelerometro contengono informazioni ßeF come prima, ma con differenti termini dinamici addizionali. Come nel caso della meccanizzazione PAPVA della fig. 13, il principio fondamentale di separazione dei segnali non è cambiato. Questa meccanizzazione ha inoltre il vantaggio di una repulsione essenzialmente perfetta di rumore veicolare.

55

60

(22)

65

aj, Sgn(Coot)dt

In accordo con la disposizione mostrata nella fig. 14, la distanza istantanea di ciascun accelerometro dal centro di rotazione veicolare è:

11

663 671

LCos 8

0

lz-Lsin 8

ax

1

1

0

0

0

0

-Al

-LCos 8

0

lz-LSin 8

ay

0

0

1

1

0

0

-Ay

=

lx+LSin 8

LCos 8

0

i

5

az

=

0

0

0

0

1

1

-Ay

lx-LSin 8

-LCos 5

0

1

(26)

Fx

XAi

0

ly + LSin 8

LCos 8

k

10

ax

1/2

-1/2

0

0

0

0

-TAI

0

ly-LSin 8

-LCos 8

Fy ay

0

0

1/2

-1/2

0

0

15

Fz az

0

0

0

0

1/2

Poiché in questa meccanizzazione gli assi di ingresso di accele-

~

ai

al

a\

a2

ai

al

—

(30)

Sostituendo le equazioni (28) e (29) insieme con simili equa-■y» ay,

zioni par a\, ay, ai e al nella equazione (30) e supposto che F e rometro cambiano direzione rispetto agli assi del corpo, le componenti rivelate vengono modulate. Per esempio, l'asse di ingresso varia cnformemente a 5. [Cos 8 • i, 0-j, Sin 8 • k]. q sono constante per l'intervallo T risulta: Indicando l'accelerazione totale, che verrebbe rivelata lungo 20

a? = 2cop Ccot-q + pScot-pr - 2L(q2 + r2) + + 1/2 8M2S2cot[4L(r2-p2)] -2L • co28M2C2cot gli assi del corpo nel caso di moto parallelo ideale da ai, ay e ai,

l'accelerazione reale rivelata dagli acceleramenti vibranti in senso angolare è data da:

(31)

con simili equazioni per a^ea'e l'equazione (32) di cui appres-

Fx ai

Cos 8

0

Sin 8

al

-Cos 8

0

-Sin 8

ay

Sin 8

Cos 8

0

ai a2

=

-Sin 8

-Cos 8

0

ay ai

0

Sin 8

Cos 8

ai al

0

-Sin 8

-Cos 8

Fy Fy so per ax e simili equazioni per ay e a.

Fx ax = Fx + Izz pr + 5MScot[Fz-/z(p2 + q2)] + 30 + 1/2 8M2S2oot[-Fx-/z-pr]

(32)

Sostituendo le equazioni per la componente di velocità an-(27) golare delle accelerazioni, come l'equazione (31), e le equazioni per la componente di forza delle accelerazioni, con la equazione 35 (32), nelle equazioni (22) e (23) risulta:

Con le equazioni (7) - (10) e sostituendo le equazioni (26) e (27) nella equazione (1) e sviluppando, le uscite reali della coppia di accelerometri per ai e al possono venire rappresentate da:

p = q q = q

40 r = r

8 M2

F x = (Fx + k) (1 )

4

(33)

45

ai = Fx + /z(pr + q) - L(q2+r2) + pScot-pr + 2ca — Ccot-q +

2

+ 6m Scot[Fz-/z(p2 + q2)] + 1/2 8M2S2cot[-Fx-/z(pr + q) (28) + 2L(r2-p2)] - L 8M2cù2C2cot

8 M2

Fy = (Fy + /x pq) (1 )

4

8 M2

Fz = (Fz + ly qr) (1 )

(34)

al = -Fx -/z(pr + q) - L(q2 + r2) + 8Soot-pr + 2co — Ccot-q +

2

+ 8MScot[-Fz + /z(p2q2)] + 1/2 8M2S2cot[Fx + /z(pr + q) (29)

-2L(r2-p2)] -L 8M2co2C2tót

Da questa sostituzione risultano simili equazioni per a\, a2, ai e ai

Perchè il meccanismo PANVA mostrato nelle figg. 11 e 14 è dorso a dorso, l'operazione preelaboratrice della fig. 19 per la disposizione PANVA è rappresentata per la seguente equazione in matrice:

Pertanto, nella meccanizzazione PANVA, le velocità angolari 55 vengono determinate esattamente e le forze specifiche vengono determinate fino ad un noto fattore di scala.

Dalle suddette equazioni è evidente che nelle meccanizzazioni dorso a dorso, tutto il rumore veicolare viene eliminato nel canale Q. Ciò si verifica per possibili gradienti od accelerazioni 6o angolari. Un possibile rumore sincrono residuo dell'asse di vibrazione, includente un rumore angolare perpendicolare all'asse di vibrazione, viene anch'esso eliminato nel canale £2. Le meccanizzazioni dorso a dorso sono inoltre sensibili a possibili effetti di rettificazione nel canale F, risultanti da componenti pe-65 riodiche perpendicolario agli assi di ingresso delle coppie di accelerometri. Tuttavia questo effetto può venire compensato per via elettronica. Sebbene le coppie di accelerometri siano soggette a forza centrifuga a causa del moto angolare, il fatto è che la

663 671

12

frequenza 2co rense possibile eliminare questo effetto nel processore della fig. 19. L'angolo di fase dei segnali nel processore non avrà qui effetto. Tuttavia, per esempio in corrispondenza di L = 15 mm e 5n = 1/15 rad e per co = 200 rad/s, esso ammonta a 0,3 g, consumando così una parte della portata efficace dell'accelerometro. Occorre notare che armoniche residue nel moto Seat trattengono componenti disuniformi in fase nella accelerazione centripeda, contribuendo così ad un possibile spostamento del punto zero.

I meccanismi PLNVA mostrati nelle figg. 12 e 15 sono simili ai meccanismi PANVA eccetto che il moto degli accelerometri 320 e 322 è lineare. Secondo la fig. 15, la distanza istantanea fino al centro di rotazione del veicolo è

— —

—

rAì

L

0

lz-

P

— Scot 2

rAx

-L

0

lz-

P 0

— Scot 2

rAy

=

P o lx H Scot

2

L

0

i rA?

p lx Scot

2

-L

0

k rA>

0

p lyH SCOt

2

L

rAl

0

, p ly COt

2

-L

_ _

_

Sostituendo l'equazione (35) di cui appresso nella equazione (1) e sviluppando, risultano le seguenti equazioni per ai ed a ai = Fx + lz(pr + q) + — Scot(pr + q) +

+ 2co — Ccot-q - L(q2+r2) 2

al = -Fx-lz(pr + q) + — Scot(pr + q) + 4

P

+ 2<o — Ccat-q - L(q2+r2)

2

(37)

con simili equazioni per a^, a2, a[ ed al risultanti anche dalla sostituzione.

Sostituendo le equazioni (36) e (37) insieme con le equazioni per ay, a2, a{ e al nella equazione (30) e presumendo che F e £ì siano costanti per tutto T, risulta:

2cop Ccot- q + pScat-pr - 2L(q2 + r2) 2copCcot-r + pScot-pq - 2L(p2 + r2) a? = 2ff>p Ccùt-p + pScot- qr - 2L(p2 + q2)

aq

«X

ay

(38)

(39)

(40)

Fx ax = Fx Fy ay = Fy

Fz az — Fz

+ lzpr

+ lxpq

+ lyqr

(41)

(42)

(43)

Qui p, q, r, Fx, Fy e Fz vengono ottenuti come prima sostituendo le equazioni (38) - (43) nelle equazioni (22) e rispettivamente (23). I risultati sono:

P =

P

q =

q

î =

r

Fx =

= Fx

+ lzpr

& li

= Fy

+ lxpq

Fz =

= Fz

+ lyqr

(44)

(45)

(35)

(36)

25 Pertanto in questa meccanizzazione, tutte le componenti di rumore veicolare di modo in comune vengono essenzialmente eliminate come nella meccanizzazione PANVA. La piccola deviazione periodica co dalla esatta colinearità degli assi di ingresso varia in accordo con Scot. Pertanto, un rumore possibile do-30 vuto ad una accelerazione angolare viene eliminato dalla operazione Sgn(Ccot) del processore nella fig. 19. La forza centripeta dovuta alla eccitazione periodica non esiste, come nella meccanizzazione PANVA.

Nelle figg. 16 fino a 18 sono illustrati apparecchi per realiz-35 zare la meccanizzazione PAPVA della fig. 10, la meccanizzazione PANVA della fig. Ile rispettivamente la meccanizzazione PLNVA della fig. 12. L'apparecchio per meccanizzare il meccanismo PAPVA è mostrato nella fig. 16 ed include un involucro 330 avente una coppia di morsetti di ingresso/uscita 40 332 e 334. All'involucro 330, per mezzo di una coppia di cuscinetti o giunti flessibili 336 e 338, è assicurato un albero 340. Gli accelerometri accoppiati 300 e 302 sono montati sul telaio od organo 304 di supporto degli accelerometri, il quale a sua volta è assicurato all'albero 340 per ruotare con esso. Una vibrazione 45 rotatoria dell'albero 340 viene fornita da un motore che include un rotore 342 collegato all'albero 340 ed uno statore 344 attaccato all'involucro 330. Segnali che forniscono un'informazione di posizione o di velocità per un segnale di retroazione ad un servomeccanismo di eccitazione che controllerà l'ampiezza 6„ so della vibrazione dell'albero 340, possono venire ottenuti tramite la disposizione di rivelazione indicata genericamente in 346.

Un apparecchio per realizzare la meccanizzazione PANVA è previsto nella fig. 17, in cui gli accelerometri 310 e 312 sono montati sul supporto 314 il quale a sua volta è assicurato ad un 55 albero 348. L'albero 348 è assicurato girevolmente entro un involucro 350 per mezzo di una coppia di cuscinetti o giunti flessibili 352 e 354. La vibrazione angolare dell'albero 348 e quindi degli accelerometri 310 e 312 viene fornita da un motore elettrico che include un rotore 356, assicurato all'albero 348, ed uno 60 statore 358 assicurato all'involucro 350. Segnali del moto degli accelerometri 310 e 312 possono venire ottenuti tramite la disposizione di rivelazione indicata genericamente in 360 in modo da fornire una retroazione negativa per un servomeccanismo di eccitazione che regola l'ampiezza S della vibrazione dell'albero 65 348.

Una disposizione per realizzare la meccanizzazione PLNVA della fig. 12 è illustrata nella fig. 18. In questa particolare realizzazione, la traslazione lineare degli accelerometri 320 e 322

13

663 671

lungo gli assi 324 e 326, come mostrato nella fig. 12, viene fornita da un meccanismo che include un telaio 362 di supporto che sostiene gli accelerometri 320 e 322 e che è assicurato ad un involucro 364 per mezzo di una coppia di articolazioni flessibili 366 e 368. Poggiante contro la porzione inferiore del telaio 362 di supporto degli accelerometri vi è un elemento 370 di collegamento articolato il quale a sua volta è assicurato ad un albero 372. L'albero 372 è assicurato girevolmente entro l'involucro 364 per mezzo di una coppia di cuscinetti o giunti flessibili 374 e 376. Un motore elettrico, includente un rotore 378 attaccato all'albero 372 ed uno statore 380 attaccato all'involucro 364 farà ruotare o vibrare in avanti e indietro l'albero 372 attraverso una rotazione angolare molto limitata. Quando l'albero 372 ruota in avanti e indietro attraverso un piccolo angolo, l'elemento 370 di collegamento articolato farà muovere gli accelerometri 320 e 322 in direzioni sostanzialmente perpendicolari agli assi Ay e Ay sensibili alla forza. Come risultato, può venire ottenuto un movimento sostanzialmente lineare degli accelerometri 320 e 322 in una direzione perpendicolare ai loro assi sensibili alla forza, impiegando il meccanismo della fig. 18. Segnali che rappresentano la posizione o velocità angolare dell'albero, per l'uso da parte di un servomeccanismo di azionamento, possono venire ottenuti per mezzo della disposizione di rivelazione indicata genericamente in 382.

La realizzazione preferita di un processore di segnali per separare i segnali F di forza dai segnali £2 di velocità angolare per le meccanizzazioni ad accelerometri accoppiati delle figg. 10 fino a 13 è illustrata nella fig. 19. Il funzionamento fondamentale del circuito di processore mostrato nella fig. 19 è uguale come per il circuito di separazione di segnali della fig. 2. Ad esempio, il generatore 2 di impulsi di comando è lo stesso come mostrato nella fig. 2, con una linea 384 che collega il generatore 22 di onde quadre, come mostrato nella fig. 2, al generatore 31 di segnali di eccitazione. In maniera simile, l'uscita del generatore 23 di impulsi di comando di azzeramento e di integrazione viene trasmessa su una linea 386 dal generatore 2 di impulsi di comando, e l'uscita del generatore 24 di impulsi di campionatura viene trasmessa su una linea 388. Poiché le meccanizzazioni ad accelerometri accoppiati fanno uso di due accelerometri, vi sono due complessi di accelerometro 390 e 392 mostrati nella fig. 19, che corrispondono agli accelerometri 300 e 302 nella fig. 10 ed agli accelerometri 310 e 312 nella fig. 11 ed agli accelerometri 320 e 322 nella fig. 12.1 segnali al e al di uscita degli accelerometri vengono inviati dai complessi 390 e 392 di accelerometro rispettivamente su una coppia di linee 394 e 396.

La separazione dei segnali viene effettuata nel circuito della fig. 19 genericamente mediante i medesimi mezzi come per il circuito della fig. 2, eccetto che il canale di forza che produce il segnale Fz su una linea 398 ed il canale di velocità angolare per produrre il segnale p su una linea 400 sono rappresentati nella fig. 19 come due circuiti separati. Come mostrato nella fig. 19, un circuito 402 di canale di forza include il circuito integratore 44 e il circuito 45 di campionatura e mantenimento del processore 4 di separazione di segnali elettronici della fig. 2, i segnali sule linee 386 e 388 venendo applicati al circuito integratore 44 e al circuito 45 di campionatura e mantenimento come mostrato nella fig. 2. In maniera simile, un circuito 404 di canale di velocità angolare include il circuito integratore 42 e il circuito 43 di campionatura e mantenimento della fig. 2, nonché il circuito 41 di commutazione di segno o moltiplicazione. I segnali sulle linee 386 e 388 vengono applicati al circuito integratore 42 e al circuito 43 di campionatura e mantenimento, come pure il segnale ad impulsi sulla linea 384, nella medesima maniera come mostrata nella fig. 2.

Uno dei vantaggi chiave della meccanizzazione ad accelerometri accoppiati è la capacità di usare tecniche di somma e di differenza per separare i segnali che competono principalmente al moto di traslazione dai segnali che competono principalmente a moti angolari. Per essere in grado di cancellare segnali lineari di forza specifica che vengono emessi da accelerometri accoppiati, è necessario che gli assi sensibili alla forza siano quanto più possibile paralleli e che i centri efficaci di massa siano anch'essi reciprocamente vicini. Il fatto che gli assi sensibili alla forza, degli accelerometri, siano in direzioni uguali od opposte, è una questione di convenienza nel progettare il montaggio degli accelerometri. Nell'uno e nell'altro caso, il processo di separazione viene reso possibile progettando il meccanismo che produce il moto vibratorio in maniera che i fattori di velocità eccitati siano sempre uguali ed opposti quando misurati nel telaio di riferimento dell'involucro.

Un circuito di preprocessore per effettuare le funzioni di somma e di differenza è illustrato entro le linee tratteggiate 406 della fig. 19. Il circuito 406 di preseparazione o preelaborazione include due giunzioni 408 e 410 di somma. Il particolare circuito preelaboratore 406 mostrato nella fig. 19 viene utilizzato per meccanizzazioni dove gli assi sensibili alla forza sono nella medesima direzione, come nella meccanizzazione PAPVA mostrata nella fig. 10 e, come tale, realizza la logica della equazione (17). Qui la giunzione 408 di somma agisce in modo da fornire al canale 402 di forza un segnale che rappresenta la somma dei segnali di accelerometro sulle linee 394 e 396. In maniera simile, la giunzione 410 di somma fornisce al canale 404 di velocità angolare un segnale che rappresenta la differenza tra i segnali di accelerometro sulle linee 394 e 396. Si presume che i segnali di forza specifica non rotatoria saranno sostanzialmente uguali sulle linee 394 e 396 così che il segnale sommato sulla linea 412 fornirà in effetti due volte la sensibilità per la forza specifica che viene misurata dagli accelerometri lungo gli assi sensibili alla forza. Parimenti, il segnale differenza sulla linea 414 sarà sostanzialmente esente da componenti che rappresentano forza specifica. Inversamente, un moto puramente rotatorio produrrà sue accelerazioni di Coriolis sinusoidali lungo gli assi, sensibili alla forza, degli accelerometri, con una differenza di fase di 180°. Questa differenza di fase interviene perchè le accelerazioni di Coriolis sono il prodotto di vettori di velocità angolare e di velocità relativa e, in questo caso, la velocità angolare è in comune, mentre le velocità relative sono sfasate di 180°. Come risultato, l'uscita della giunzione 408 di somma sulla linea 412 sarà sostanzialmente esente da componenti che rappresentano una rotazione angolare. Per la medesima ragione, l'uscita della giunzione 410 di somma sulla linea 414 fornirà al canale 404 di velocità angolare un segnale con due volte la sensibilità per velocità angolare.

Nelle meccanizzazioni, come la PANVA della fig. 11 e la PLNVA della fig. 12, dove gli assi sensibili alla forza hanno il senso opposto, si applicano i medesimi principi eccetto che naturalmente i segni dei segnali sono invertiti. Pertanto, nel preprocessore 406 per le meccanizzazioni PANVA e PLNVA, la giunzione 408 di somma farà la differenza dei segnali di accelerazione sulle linee 394 e 396, e la giunzione 410 di somma addizionerà i segnali sulle linee 394 e 396 genericamente in conformità alle relazioni espresse nella equazione (30). Come risultato, il segnale sommato dalla giunzione 410 di somma conterrà solo una informazione di velocità angolare, mentre il segnale differenza della giunzione 408 di somma contiene solo una informazione di forza specifica. Pertanto, si può vedere che il preprocessore 406 ha l'effetto di separare il segnale di forza specifica dal segnale di velocità angolare prima che i segnali vengano applicati al canale 402 di forza e al canale 404 di velocità angolare.

Un ulteriore vantaggio della disposizione di circuito mostrata nella fig. 19 è che le tecniche di somma e di differenza, fornite tramite il preprocessore 406, possono venire usate per facilitare la scalatura dei segnali applicati al canale 402 di forza e al canale 404 di velocità angolare. La scalatura è illustrata per

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

663 671

14

mezzo di una coppia di amplificatori 416 e 418 di scalatura. Gli amplificatori 416 e 418 si scalatura possono venire usati per scalare il livello di segnali che vengono applicati al canale 402 di forza ed al canale 404 di velocità angolare, senza riguardo alla grandezza dell'uscita di segnale proveninente dagli accelerometri. Ciò è particolarmente importante quando si consideri che le ampiezze dei segnali che rappresentano la forza specifica Fz possono essere fino a 100 volte maggiore delle ampiezze dei segnali correlati alla velocità angolare p. Pertanto, i valori delle costanti Kf e Kn di guadagno degli amplificatori possono venire regolate alle ampiezze attese di segnali sulle linee 412 e 414 per permettere la massima risoluzione dei segnali senza superare la portata dei circuiti 402 e 404. Similmente, i guadagni Kf e Kn del sistema di navigazione inerziale possono venire commutati per aumentare la sensibilità e quindi migliorare la risoluzione durante il processo di aggiustaggio del sistema di navigazione. Durante una missione, può essere necessario ridurre temporaneamente la sensibilità dell'uno o dell'altro canale sensibile alla forza o sensibile alla velocità per evitare di superare la portata dei circuiti 402 e 404 durante manovre transitorie del veicolo contenente il sistema di navigazione.

Fz e p sono stati scelti, a titolo illustrativo, tra una delle coppie di componenti di F ed £2. Identiche considerazioni val-5 gono per Fx e q e per Fy e r.

Poiché uno degli usi principali dei segnali £2 di velocità prodotti dai sistemi di accelerometro sopra discussi risiede in sistemi di navigazione inerziale, l'effetto di segnali di rumore e di errore sul sistema di navigazione è una questione importante, io Come risulta, il rumore di acceleramento presente nell'uscita del canale 404 di velocità angolare è un fattore principale nella esattezza di un sistema di navigazione inerziale impiegante accelerometri per determinare la velocità angolare. L'effetto di rumore di accelerometro per un dato livello di rumore di accelero-ìs metro è inversamente proporzionale all'ampiezza di vibrazione. È stato trovato per esempio che, utilizzando l'accelerometro QA-2000 reperibile in commercio presso la Sundstrand Data Control Inc., l'errore di posizione è circa 2 miglia nautiche (3,71 km) per un'ampiezza di vibrazione di circa 1,25 mm.

v

8 fogli disegni

Claims (16)

663 671

1. Apparecchio per generare un segnale che rappresenta il moto di velocità angolare di una struttura, il quale comprende:

un primo accelerometro (300; 310; 320) includente mezzi per generare un primo segnale di uscita che rappresenta l'accelerazione lungo un primo asse sensibile ad una forza;

un secondo accelerometro (302; 312; 322) includente mezzi per generare un secondo segnale di uscita che rappresenta l'accelerazione lungo un secondo asse sensibile ad una forza; e mezzi di elaborazione di segnali (fig. 19) sensibili al detto primo e secondo segnale di uscita per generare un segnale di velocità che rappresenta il moto di velocità angolare della struttura, caratterizzato da ciò che comprende mezzi dì allineamento (304; 314; 362) per tenere allineati il detto primo accelerometro rispetto al detto secondo accelerometro, in modo tale che il primo asse sensibile alla forza sia sostanzialmente parallelo al detto secondo asse sensibile alla forza; e mezzi di vibrazione (342; 356; 378), collegati operativamente con la struttura e con i detti mezzi di allineamento, per fare vibrare il detto primo e secondo accelerometro rispetto alla struttura ad una frequenza co e in una direzione sostanzialmente perpendicolare al detto primo e secondo asse sensibile alla forza, in cui i detti mezzi di elaborazione di segnali generano un segnale di velocità che rappresenta il moto di velocità angolare della struttura intorno ad un asse perpendicolare al piano di detto asse sensibile alla forza e di detta direzione di vibrazione.

2. Apparecchio della rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che i detti mezzi di vibrazione impartono agli accelerometri una vibrazione angolare.

2

RIVENDICAZIONI

3. Apparecchio della rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che i detti mezzi di vibrazione impartono agli .accelerometri una vibrazione sostanzialmente lineare.

4. Apparecchio della rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che i detti mezzi di vibrazione sono atti a fare vibrare il detto primo e secondo accelerometro in modo che le componenti traslatorie di vibrazione siano sostanzialmente uguali ed opposte.

5. Apparecchio della rivendicazione 2, caratterizzato da ciò che il detto primo e il detto secondo accelerometro sono allineati tramite i detti mezzi di allineamento in modo tale che il detto primo e secondo asse sensibile a forza siano paralleli all'asse di vibrazione angolare.

6. Apparecchio della rivendicazione 5, caratterizzato da ciò che il detto primo e secondo asse sensibile a forza sono sostanzialmente equidistanti dagli assi di vibrazione angolare.

7. Apparecchio della rivendicazione 2, caratterizzato da ciò che il detto primo e secondo accelerometro sono allineati tramite i detti mezzi di allineamento in modo tale che il detto primo e il detto secondo asse sensibile a forza siano opposti e sostanzialmente coassiali uno rispetto all'altro.

8. Apparecchio della rivendicazione 7, caratterizzato da ciò che l'asse di vibrazione angolare è perpendicolare al detto primo piano e al detto secondo asse sensibile a forza e collocato tra il detto primo e il detto secondo accelerometro.

9. Apparecchio della rivendicazione 2, caratterizzato da ciò che l'angolo di vibrazione è approssimativamente di 50 millira-dianti da picco a picco.

10. Apparecchio della rivendicazione 3, caratterizzato da ciò che il detto primo e il detto secondo accelerometro sono allineati tramite i detti mezzi di allineamento in modo tale che il detto primo e il detto secondo asse sensibile a forza siano opposti e siano sostanzialmente coassiali uno rispetto all'altro.

11. Apparecchio della rivendicazione 10, caratterizzato da ciò che l'ampiezza di vibrazione è approssimativamente di 2 mm da picco a picco.

12. Apparecchio della rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che i detti mezzi di elaborazione di segnali includono un processore (404) di segnale e un mezzo a preprocessore (406), collegato operativamente tra il detto primo e il detto secondo accelerometro e il detto processore di segnali, per combinare il detto primo e il detto secondo segnale di uscita.

13. Apparecchio della rivendicazione 12, caratterizzato da ciò che il detto mezzo a preprocessore comprende una giunzione di somma (410) per applicare la differenza del detto primo e del detto secondo segnale di uscita al detto processore di segnali.

14. Apparecchio della rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che detti mezzi di elaborazione di segnali includono un circuito di canale di velocità (404) sensibile al detto primo e al secondo segnale di uscita, per generare detto segnale di velocità, e inoltre includono un circuito canale di forza (402), sensibile alle somme di detto primo e secondo segnale di uscita per generare un segnale di forza che rappresenta l'accelerazione dell'apparecchio.

15. Apparecchio della rivendicazione 14, caratterizzato da ciò che include mezzi di preparazione (406), collegati operativamente tra il detto primo e secondo accelerometro ed il detto circuito di canale di forza (402) e il detto circuito di canale di velocità (404), per combinare il detto primo e il detto secondo segnale di uscita in un primo segnale di combinazione da immettere nel detto circuito di canale di forza e per combinare il detto primo e il detto secondo segnale di uscita in un secondo segnale di combinazione da immettere nel detto circuito di canale di velocità.

16. Apparecchio della rivendicazione 15, caratterizzato da ciò che il detto primo e il detto secondo asse sensibile alle forze sono allineati nella medesima direzione, e in cui il detto primo segnale di combinazione rappresenta la somma del detto primo e del detto secondo segnale di uscita, e il detto secondo segnale di combinazione rappresenta la differenza tra il detto primo e il detto secondo segnale di uscita.