DD209288A1 - Anordnung zur bestimmung der winkelgeschwindigkeit und beschleunigung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung, indem eine Traegheitsmasse in einer raeumlichen Anordnung durchLageregelungssyteme, die zur Messung und Steuerung dienen, schwebend gehalten wird. Diese Anordnung ist besonders fuer Messungen der Traegheitsnavigation anwendbar. Die Aufgabe der Erfindungbesteht darin, einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser so zu gestalten, dass zu seinem Betrieb ein geringer Aufwnd an Mess- und Steuersystemen notwendig ist, das wird dadurch erreicht, dass die Traegheitsmasse durch sechs Lageregelungssysteme an den Enden eines dreidimensionalen, symmetrischen Kreuzes schwebend gehalten wird, die jeweils gegenueberliegenden Lageregelungssysteme die gleiche Bewegungsrichtung haben und senkrecht zur entsprechenden Achse des dreidimensionalen Kreuzes angeordnet sind.

Description

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zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit und

Beschleunigung

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur .Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit""und Beschleunigung, indem eine frag— heitsmasse in einer räumlichen Anordnung durch Xageregelungssysteme, die zur Messung und Steuerung dienen, schwebend gehalten wird*

Diese Anordnung ist insbesondere für Havigationszweske zur trägheitsnavigation anwendbar·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung sind Anordnungen bekannt, die es ermöglichen, alle drei Komponenten des Beschleunigongsvektors zu messen und die als dreiaehsige Beschleunigungsmesser bezeichnet werden* In der SE-QS 1673 412 wird ein Beschleunigungsmesser beschrieben, bei dem ein elektrisch geladenes teilchen in einer Suspensionskammer mit Hilfe eines elektrischen Feldes schwebend gehalten wird· Durch die Photodetektoren wird die Position des !Teilchens gemessen und die drei elektrischen Pelder so gesteuert., dai3 das Teilchen immer in der Mitte der Kammer bleibt· Die dazu erforderliche Spannung in allen drei Komponenten ist ein Mai3 fiir die Beschleunigung·

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Aus der Hr-OS 2204 533 ist eine dreidimensional arbeitende elektrostatische MeQeinrichtung für sehr kleine Beschleunigungen "bekannt und "betrifft einen Beschleunigungsmesser, bei dem eine Kugel in einem elektrostatischen JeId schwebend gehalten wird· Diese Beschleunigungsmesser gestatteten es aber nicht, zusätzlich au den linearbeschleunigungen noch Winkelgeschwindigkeiten oder -beschleunigungen zu messen« Aus der PS-PS 2107 847 ist weiterhin bekannt, durch Anordnung yon sechs Beschleunigungsmessern Winkelgeschwindigkeiten oder -beschleunigungen zu messen, indem jeweils awei Beschleunigungsmesser in einer Achse ©der rechtwinklig zu dieser Achse angeordnet sind·. Me Sotationsgesohwindigkeit kann aus der auf die Beschleunigungsmesser wirkende Zentrifugalkraft bzw· durch Integration der bei der Winkelgesehwindigkeitsänderung auftretenden Beschleunigungen ermittelt werden· Der lachteil dieser Anordnung besteht darin, daß sechs Linearbeschleunigungsmesser exakt zueinander ;justiert -and kalibriert werden müssen und die sechs einzelnen Trägheitsmassen in Linearbe— schleunigungsmessem im allgemeinen yon Pedern. gehalten werden und damit die einzelnen Federkräfte als Dehler in die Messungen mit eingehen können·

In der S¥-?S 574 677 wird eine !Trägheitsmasse in Fora eines Würfels durch zwölf, entlang der Kanten des Würfels wirkende Lageregelungssysteme schwebend gehalten· Der lachteil dieser Anordnung besteht darin, daß eine,hohe überbestimmung durch die zwölf Lageregelungssysteme vorhanden ist und ein hoher Aufwand zur Punktion der zwölf MeQ- und Steuersysteme sowie zur Berechnung notwendig ist·

Ziel der Erfindung: : ^{; :} '

Die Erfindung hat das Ziel, einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser s© zu gestalten, daß die genannten Sachteile beseitigt werden und ein geringer Aufwand an MeQ- und Steuersystemen notwendig ist·

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Darlegung des Wesens der Erfindung:

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit nur einer Trägheitsmasse, die in einer räumlichen Anordnung durch sechs Lageregelungssysteme schwebend gehalten wird, wobei die Lageregelungssysteme zur Messung und Steuerung dienen, Winkelgeschwindigkeiten und Beschleunigungen zu. messen» Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die !Trägheitsmasse durch sechs Lageregelungssysteme an den Enden einer dreidimensionalen, kreuzförmigen Struktur schwebend gehalten wird, daB jeweils zwei gegenüberliegende Lageregelungssysteme die gleiche Bewegungsrichtung haben und daß die Bewegungsrichtung senkrecht zur entsprechenden Aehse der dreidimensionalen, kreuzförmigen Struktur angeordnet ist« Torteilhaft ist es, wenn die trägheitsmasse in einem dreidimensionalen, symmetrischen Kreuz angeordnet ist und tie sechs Lageregelungssysteme jeweils aus einem Meßsystem mit Differenzphoto— empfänger und einem Steuersystem mit einem an der Trägheitsmasse angeordneten Magneten sowie zwei Spulen besteht· Das Maßsystem kann kapazitive oder induktive Sensoren enthalten· Ss ist auch, möglich, die !Trägheitsmasse durch sechs Lagerege— lungs sy sterne an den Enden eines Oktaeders schwebend zu halten« Durch die Erfindung ist es mSglieh, mit nur einer -Trägheitsmasse und sechs Lageregelungssystemen die drei komponenten der Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung mit geringem Mei3— und Steuerarnfwand zu messen«

Me Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert· Es zeigen:

1±S* "1 eine Anordnung zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung mit kreuzförmiger, dreidimensionaler Trägheitsmasse

Pig· 2 eine zweite Ausführungsform zur Anordnung der Trägheitsmasse

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Pig· 3 eise elektronische Schaltung zum Betrieb eines Magneten

Pig* 4 eine elektronische Schaltung zum Betrieb eines Beschleunigungsmessers·

In der Anordnung nach Pig· 1 wird ein Beschleunigungsmesser dargestellt, bestehend aus einer frägheitsmasse, die durch 6 Lageregelungssysteme an den Enden eines dreiachsigen, symmetrischen Kreuzes 1 sehwebend gehalten wird· Me β Xagerege lungs systerne bestehen ans den Magneten 2-7, die {jeweils paarweise an den Enden der dreiachsigen kreuzförmigen Struktur 1 angebracht sind, wobei die Magneten 2 und 3 die x-Aohse mit den feilen x. und ^₂ begrenzen, die Magneten 4 und 5 die y-Aehse mit den feilen j^ und y« und die Magneten β und 7 die z-Aehse mit den feilen ζ^ und ζ₂· Die Magneten 2-7 und die dreiachsige, kreuzförmige Struktur 1 bilden zusammen die frägheitsmasse des Beschleunigungsmessers· Jedem Magneten 2-7 sind jeweils 2 Spulen zugeordnet, zwischen denen er sich bewegt· 33er Magnet 2 befindet sich zwischen den Spulen 8 und §, der Magnet 3 zwischen den Spulen 10 und 11, der Magnet 4 zwischen den Spulen 12 und 13> der Magnet 5 zwischen den Spulen 14 und 15, der Magnet β zwischen den Spulen 16 und 17 und der Magnet 7 zwischen den Spulen 18 und 19·"

Seshs Lichtquellen 20 - 25 und sechs Mfferenzphotoempfanger 26-31 sind senkreeht zur Bewegungsrichtung der Magneten 2 — 7 so angeordnet, daß die lichtquellen 2Θ - 25 die lifferenzphotoempfanger 26 - 31 s© beleuehten, daJ3 die feile χ,, ^X2> ^1» ^?' ^ζί ^tmä· ^Z2 ^einen Schatten auf die Bifferenzphotöempfanger 26 - 31 werfen und dieser Schatten sieh bei der Bewegung der Magneten 2-7 auf den !ifferenzphot©empfängern 26 - 31 mit bewegt· Me elektronische Schaltung zum Betrieb der Magneten 2 — 7 wird in Pig· 3 genauer beschrieben· Me Anordnung nach Pig· 2 zeigt eine zweite AusfUhrungsform für die räumliche Anordnung, der-Trägheitsmasse.» 33ie Magneten 2 - 7 können in dieser Ausftihrungsferm in. einer oktaedrischen.

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Struktur 32 angeordnet sein· Der Oktaeder übernimmt dabei dieselbe !funktion wie die dreiachsige, kreuzförmige Struktur in Pig. U

Ίπ Pig· 3 wird die elektronische Schaltung für die Funktion der Magneten 2 - 7 in Pig· 1 dargestellt· Die lichtquelle "beleuchtet den Differenzphotoempfanger 2β· 2er feil χ. der x-Achse der dreidimensionalen, kreuzförmigen Stiufetor 1 erzengt einen Schalten aiii dem Differensphotoempfänger 26« Das Differenssignal wird dann in bekannter Weise in einem Yerstärker 33 verstärkt und zum Betrieb der Spulen 8 und 3 verwendet, so daJS beispielsweise die eine Spule 8 auf die sieh der Magnet 2 zubewegt inn abstößt, die andere Spule 9 den Magneten 2 anzielit^ Jm Irbe it swi der stand 45 kann ein Signal 39 gewonnen werden, das proportional zur Beschleunigung des Magneten 2 ist· Jeder Magnet 2-7 (wie in Pig· 1 dargestellt), hat eine solohe S©haltung, die 3ede Abweichung der jeweiligen Aehse (x, 7, 2) der dreidimensionalen, kreuzfSrmigen Struktur 1 aus der Soll-Lage ausregelt und ein beschleunigungsabhängiges Signal liefert· Alle S Sohaltungen bewirken, daß die trägheitsmasse, bestehend aus der dreidimensionalen, kreuzförmigen Struktur 1 und den Magneten 2-7 frei im PeId der Spulenpaare § - 1S schwebt· Ia Pig· 4 wird die elektronische Schaltung zum Betrieb eines Beschleunigungsmessers dargestellt· Die Terstärker 33 - 38 sind nur schematisch gezeigt· Dabei bedeuten 39 - 44 die jeweiligen Ausgänge für das Besehieunigungssignal· Ein Summenrerstärker 4β, 47, 48 oder ein Differenzverstärker 49, 50, 51 ist immer mit beiden Ausgängen der Terstärker einer Achse (2, j oder z) der dreidimensionalen, kreuzfSrmigen Struktur 1 verbunden· So wird der Yerstärker 46 mit den Signalen 39 und 40 gespeist· Das Summensignal dieser Signale ist die Beschleunigung entlang der y-Aohse· PSr die beiden anderen Achsen ist die Anordnung analog· Das Differenz signal von 39 und 40 wird im Terstärker 49 gebildet, für die

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anderen Achsen analog» Aus den Differenz Signalen werden die Anteile der Zentrifugalkraft und der Winke!beschleunigung erhaltenj sie kann in bekannter Weise aus der Rotationsrate , aller drei Achsen ermittelt werden (p, q., r sind die drei Komponenten des Eotationsvektors w)· 33ie Ausführung der "beschriebenen Anordnung ist nicht an das vorstehende Ausführungsbeispiel gebunden* So können statt photoelektrische auch kapazitive oder induktive Sensoren verwendet werden· Die Spulen kSnnen auch direkt an der kreuzförmigen Struktur 1 angebracht sein und die Magneten feststehen, was allerdings Drahtverbindungen zur Trägheitsmasse voraussetzt· Besteht die dreidimensionale, kreuzförmige Struktur 1 mindestens im Mittelteil aus nichtleitendem Material, ist auch eine elektrostatische lachsteuerung möglich· Weiterhin kann zum teilweisen oder vollständigen Ausgleich der Gravitation die Trägheitsmasse auch in einer geeigneten Trageflüssigkeit schweben· Die Trägheitsmasse kann auch eine andere beliebige Ausführungsform (z· B· Oktaeder) haben, wenn nur ^sichert ist, daB die 6 Sensoren und die 6 Xagesteuerungseinheiten entsprechend Mg* 1 angebracht werden können· Sie Auswertung der Signale kann auch durch. Digital schaltungen erfolgen·

Die Ermittlung der 3 Komponenten der Translationsbeschleunigung (x, y, z) sowie der 3 Komponenten der Hotatiensge— schwindigkeit w « (p, q, r) ergibt sich aus allgemein bekannten Transformationsformeln für beliebig bewegte Soerdinatensysteme· für das in Pig* 1 und 4 angegebene Beispiel gilt:

y Sensoren an der χ Achse: Summe: j Differenz: pq. - r ζ Sensoren an der y Achse: Summe: ζ Differenz: qr - ρ χ Sensoren an der ζ Achse: Summe: χ Differenz: rp - q

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch:

   1« Anordnung zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung mit einer Trägheitsmasse, die in einer räumlichen Anordnung durch Lageregelungssysteme, die zur Messung und Steuerung dienen, schwebend'gehalten wird, gekennzeichnet dadurch, daß eine Trägheitsmasse durch sechs Lageregeluagssysteme an den Enden einer dreidimensionalen, kreuzförmigen Struktur schwebend gehalten wird, daß jeweils zwei gegenüberliegende Lageregelungssysteme die gleiche Bewegungsrichtung haben und daß die Bewegungsrichtung senkrecht zur entsprechenden Achse der dreidimensionalen, kreuzförmigen Struktur angeordnet ist*

   2« Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Trägheitsmasse in Jona eines dreidimensionalen, symmetrischen Sxeuzes angeordnet ist«

   3« Anordnung nach Punkt i, gekennzeichnet dadurch, da£ die Trägheitsmasse in Torrn eines Oktaeders angeordnet ist·

   4« Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadureh, daß die Lageregelungssysteme Jeweils aus einem Meßsystem mit Differenzphotoempfänger und einem Steuersystem mit-einem an der Trägheitsmasse· angebrachten Magneten mit zwei Spulen besteht«

   5« Anordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadureh, daß das Meßsystem kapazitive oder induktive Sensoren enthalten kann«

   15« Okt« 1982/10

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