DD289608A5 - Winkelgeschwindigkeitssensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit zwei Meszachsen, der einfach und robust gebaut ist. Der Rotor ist kardanisch, z. B. durch Federelement, an der Motorwelle aufgehaengt und besitzt senkrecht zur Rotationsachse zwei Traegheitsachsen mit verschiedenen Traegheitsmomenten. Die auf den Rotor einwirkenden Kraefte werden, bezogen auf beide Traegheitsachsen, gemessen und aus den Meszergebnissen die Kreiselkraefte bzw. Eingangsdrehgeschwindigkeiten ermittelt. Der Rotor ist bezueglich dieser Eingangsgroesze quasi starr aufgehaengt. Zur Messung der Kraftkomponenten sind Drucksensoren vorgesehen. Fig. 1{Winkelgeschwindigkeitssensor; Kreiselkraefte; Navigationseinrichtungen; Rotor; Drucksensoren; Traegheitsachsen}

Description

Vorteilhafterweise können als Druckelemente Rollen vorgesehen sein, die auf am Rotor befestigten Achsen angeordnet sind. Das Federelement zur Vorspannung des Rotors gegen die Lauffläche sollte zugleich als Kardanaufhängung zwischen Rotor und Antriebswelle ausgebildet sein.

Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der Rotor quasi starr mit der Antriebswelle verbunden ist. Von außen einwirkende Eingangsdrehgeschwindigkeiten verursachen Trägheitskräfte, die vom Rotor über die mit ihm umlaufenden Druckelemente die Lauffläche übertragen und mit Hilfe der Drucksensoren in ihrer Größe bestimmt werden.

Während eines Hotorumlaufes werden die Kräfte von jedem Drucksensor zweimal gemessen, und zwar bezogen auf jeweils eine der beiden Trägheitsachsen des Rotors, die die Rotationsachse senkrecht schneiden.

Gilt für die Träoheitsmomente J, und Jn bei den Trägheitsachsen I und Il

Ji = η Jn

so betragen die Kräfte, die aufgrund der Drehbeschleunigung am gleichen Drucksensor gemessen werden, auf I bezogen nF„ und auf Il bezogen F_u.

Weitere Kräftedifferenzen entstehen an den sich jeweils gegenüberliegenden Drucksensoren aufgrund von Kreiselkräften, z. B.

+Fk an einem und -F* am gegenüberliegenden Drucksensor.

Auf die Drucksensoren wirken (jeweils im gleichen Maße) außerdem Kräfte F_f aus der Vorspannung des Rotors gegen die Lauffläche und - im Falle einer linearen Beschleunigung der Anordnung in Richtung der Rotationsachse - Kräfte F_A.

Die Auswerteeinheit hat also jeweils für sich paarweise gegenüberliegende Drucksensoren folgende Bedingungen zu erfüllen:

1. Differenzbildung der an beiden Sensoren gemessenen Kräfte zur Eliminierung von Ff und Fa, und zwar je einmal für die Trägheitsachse I und II;

2. Multiplikation des Meßergebnisses für die Trägheitsachse I mit dem Faktor n;

3. Differenzbildung aus Meßergebnis für die Trägheitsachse Il und Ergebnis der Multiplikation gemäß 2. zur Eliminierung von F₀₁ und Bestimmung von Fk.

4. Ermittlung der auf die Anordnung einwirkenden Winkelgeschwindigkeit nach der Beziehung

mit dem Drehimpuls H, der durch Trägheitsmoment und Drehzahl der Rotors bestimmt ist.

Da sich die Drucksensoren um 90° zueinander versetzt gegenüberliegen, ist die Ermittlung von ω bezüglich zweier sich rechtwinklig schneidenden Richtungen möglich.

Die unterschiedlichen Trägheitsmomente der beiden Trägheitsachsen senkrecht zur Rotationsachse sind realisierbar bei stabförmiger Ausführung des Rotors.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1: den Aufbau des Winkelgeschwindif.Keitssensors im Schnitt Fig. 2: den symbolischen Aufbau in Perspektivdarstellung

In Fig. 1 ist ein Motor 1 als elektromechanischer Antrieb mit einem an seiner Antriebswelle 2 kardanisch aufgehängten Rotor 3 dargestellt. Parallel zur Rotationsachse des Rotors 3 ist, gehäusefest mit dem Motor 1, eine ringförmige Lauffläche vorgesehen, in die um 90° zueinander versetzt vier Drucksensoren 5.1 ...5.4. eingelassen sind. Rotor 3 und Lauffläche 4 sind gegeneinander durch vier Rollen 6 abgestützt, die mit dem Rotor 3 umlaufen. Zur kardanischen Aufhängung des Rotors 3 ist ein Federelement 7 vorgesehen, durch das der Rotor 3 zugleich axial gegen die Lauffläche vorgespannt ist. Die Ausgänge der Drucksensoren 5.1 ...5.4 sind mit einer Auswerteeinheit verbunden. Der Rotor 3 ist stabförmig ausgeführt (vgl. Fig. 2), mit einer Längsachse senkrecht zur Rotationsachse ζ ausgerichtet und verfügt somit über zwei die Rotationsachse ζ rechtwinklig schneidende Trägheitsachsen I und Il mit unterschiedlichen Trägheitsmomenten J| und Jn.

Beim Betreiben der Anordnung werden alle Kräfte die auf den Rotor 3 wirken, durch die Rollen 6 auf die Lauffläche 4 übertragen und in Abhängigkeit von der Drehung des Rotors 3 um die Rotationsachse ζ von den Drucksensoren 5.1....5.4 gemessen. Dabei wirken folgende Komponenten auf die Drucksensoren 5.1. ...5.4:

- Ff aufgrund der Vorspannung durch das Federelement 7

- Fa bei iinearer Beschleunigung der Anordnung in Richtung der Rotationsachse ζ

- Fei) aus der Drehbeschleunigung und

- F_K verursacht durch von außen auf die Anordnung einwirkende Drehgeschwindigkeiten

Der Anschaulichkeit halber seien lediglich die beiden Drucksensoren 5.1. und 5.2 betrachtet. Dabei wirken auf

durch Federelement 7 Linearbeschleunigung in Richtung ζ durch Drehbeschleunigung ώ um die x-Achse bei Winkelgeschwindigkeit in y-Richtung

5.1	5.2
+Ff	+FF
+Fa	+Fa
±Fcb	+Fü)
-Fk	+Fk

Die Messung dieser Kräfte erfolgt je Umdrehung des Rotor 3 zweimal, und zwar eir τ α bei Ausrichtung der Trägheitsachse I parallel zur Richtung und ein zweites Mal bei Ausrichtung der Trägheitsachse Il parali 3, zur Richtung y. In beiden Rotorstellungen unterscheiden sich die Komponenten Fco; wirkt bei Il Fco, so gilt für I nFcb, sofern sich d 5 Trägheitsmomente unterscheiden durch

Ji = nun

Die Auswertung der Meßergebnisse erfolgt in der Auswerteeinheit 8, deren Ausführung hier nicht mehr beschrieben werden soll. Es sind folgende Operationen auszuführen:

a) Differenzbildung aus den gemessenen Kräften. Daraus ergibt sich für die

Stellung 11| y: ±2 Fco

-2Fk Stellung Il Il y: ±2 nFci)

-2F_K Ff und Fa sind eliminiert.

b) Multiplikation des Ergebnisses für Stellung 11| y mit n. Es ergibt sich:

Stellung 11| y: ±2 η Fco -2nF_K

c) Differenzbildung aus Meßergebnis für Stellung Il || y und dem Ergebnis der Multiplikation nach b). Es ergibt sich:

2(n-1)F_K

Damit ist Fei) eliminiert, Fk ist bestimmt.

Aus Fk kann die auf die Anordnung wirkende Drehgeschwindigkeit ω ermittelt werden, nach Fk

worin der Drehimpuls H aus Trägheitsmoment und Drehzahl bekannt ist.

Für die Drucksensoren 5.3 und 5.4 wird in analoger Weise verfahren. Die erfindungsgemäße Anordnung kann prinzipiell auch zur Messung der linearen Beschleunigung in Richtung der Rotationsachse ζ genutzt werden.

Claims (4)

1. Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem elektromechanischen Antrieb und einem an der Antriebswelle kardanisch aufgehängten Rotor, gekennzeichnet dadurch, daß der Rotor zwei seine Rotationsachse senkrecht schneidende Trägheitsachsen mit verschiedenen Trägheitsmomenten aufweist, daß gehäusefest mit dem elektromechanischen Antrieb parallel zur Rotationsebene eine ringförmige Lauffläche vorgesehen ist, die um 90° zueinander versetzt vier mit einer Auswerteeinheit verbundene Drucksensoren aufweist, daß Rotor und Lauffläche gegeneinander durch mindestens drei mit dem Rotor umlaufende Druckelemente abgestützt sind und der Rotor durch ein Federelement axial gegen die Lauffläche vorgespannt ist.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Druckelement Rollen vorgesehen und auf am Rotor befestigten Achsen angeordnet sind.

3. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Federelement zur Vorspannung des Rotors gegen die Lauffläche zugleich als Kardanaufhängung zwischen Rotor und Antriebswelle ausgebildet ist.

4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Rotor Stabform besitzt und mit seiner Längsachse senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet ist.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit zwei Meßachsen, der bei einfacher und robuster Bauweise als Lagesensor in Inertialsystemen verwendbar und insbesondere für den Einsatz in Navigations- und Steuereinrichtungen von Flug- und Fahrzeugen geeignet ist.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Schaffung einer Bezugsrichtung im Raum und zur Bestimmung von Ablagewinkeln gegenüber der Bezugsrichtung bzw. von Winkelgeschwindigkeiten werden in der Regel Kreisel verwendet. Kreisel nach herkömmlicher Bauart sind aber sehr genau zu fertigende, relativ teure mechanische Einheiten und weisen insofern Nachteile auf. Einen gewissen technischen Fortschritt brachte der dynamisch abgestimmte Kreisel, bei dem der Rotor nicht über die klassische kardanische Aufhängung, sondern über Federelemente mit der Antriebswelle verbunden ist. Eine solche Lösung ist in der US-PS 3832906 als „Gimbal structure for dynamically tuned free rotor gyro" veröffentlicht. Anders als beim konventionellen Kreisel führt hierbei die Lagerung des Rotors zu höherer Massenausgeglichenheit und damit Genauigkeit, jedoch wirkt die Rückstellkraft des Federelementes als Störel^Tient, sobald der Rotor gegenüber der Antriebsachse verkippt ist. Um diesem Störelement entgegenzuwirken, sind nach US-PS 3832906 an den Federn Masseelemente angeordnet, die bei Rotation und unter dem Einfluß des Federstörmomentes zu Zwangschwingungen angeregt werden, die ein dynamisches, dem Federstörmoment entgegenwirkendes Ausgleichsmoment liefern.

Nachteilig an dieser Lösung ist vor allem die komplizierte Abstimmung von Federsystem, Schwingmasse und Drehzahl. Der dazu erforderliche Aufwand führt zu hohen Herstellungskosten. Darüber hinaus sind derartige Kreisel sehr empfindlich gegenüber äußeren Schwingungen, wodurch die Einsatzbreite eingeschränkt ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Anordnung zur Ermittlung von Winkelgeschwindigkeiten bzw. Ablagewinkeln gegenüber einer ' Bezugsrichtung im Raum mit einfacher und robuster Bauweise sowie hoher Genauigkeit und Betriebssicherheit beim Einsatz in Navigations- und Stabilisieiungssystemen.

Wesen der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor für Winkelgeschwindigkeiten zu schaffen, der über eine rotierende, kardanisch gelagerte Masse verfügt, bei dem die senkrecht zur Rotationsebene wirkenden Momente als Maß für von außen einwirkende Winkelgeschwindigkeiten ermittelt werden, zur Maßverkörperung jedoch nicht die Verkippung des Rotors gegenüber der Antriebsachse erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für einen Winkelgeschwindigkeitssensor mit einem elektromechanischen Antrieb und einem an der Antriebswelle kardanisch aufgehängten Rotor dadurch gelöst, daß der Rotor zwei Trägheitsachsen aufweist, die seine Rotationsachse senkrecht schneiden, daß eine parallel zur Rotationsebene des Rotors ausgerichtete und mit dem elektromechanischen Antrieb gehäusefest verbundene ringförmige Lauffläche vorhanden ist, daß zwischen Rotor und Lauffläche mindestens drei mit dem Rotor umlaufende Druckelemente vorgesehen sind und der Rotor durch ein Federelement axial gegen die Lauffläche vorgespannt ist, und daß die Lauffläche vier um 90° zueinander versetzte Drucksensor) aufweist.