DE102022130886A1 - DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Richtungsbestimmung eines Objekts in einem rotierenden Bezugssystem sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Nach einem ersten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zur Richtungsmessung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem, wobei die Bewegung einer ersten Testmasse und einer zweiten Testmasse, die in einem als Bezugssystem dienen-den rotierenden Kreisel voneinander beabstandet aufgehängt sind, als Summen-signal erfasst wird, wobei der Abstand der beiden Testmassen weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm beträgt, und zusätzlich eine Differenz zwischen der Bewegung der ersten Testmasse und der Bewegung der zweiten Testmasse gemessen wird.The invention relates to a method for determining the direction of an object in a rotating reference system and to a device for carrying out the method. According to a first aspect, the stated object is achieved by a method for measuring the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system, wherein the movement of a first test mass and a second test mass, which are suspended at a distance from one another in a rotating gyroscope serving as a reference system, is recorded as a sum signal, wherein the distance between the two test masses is less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm, and in addition a difference between the movement of the first test mass and the movement of the second test mass is measured.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Richtungsbestimmung eines Objekts in einem rotierenden Bezugssystem sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Richtungsbestimmung eines Objekts in einem rotierenden Bezugssystem für Navigationsanwendungen.The invention relates to a method for determining the direction of an object in a rotating reference system and to a device for carrying out the method. In particular, the invention relates to a method and a device for determining the direction of an object in a rotating reference system for navigation applications.
Die Richtungsmessung ist eine grundlegende Aufgabe der Geodäsie, Geometrie, Astronomie, Navigation und anderer Gebiete der Technik. Sie besteht in einer orientierten Winkelmessung zur Bestimmung horizontaler Winkel oder orientierter Messstrahlen in einem definierten Bezugssystem. Das Bezugssystem kann dabei absolut sein. Beispielsweise beziehen sich viele Richtungsmessungen auf der Erde auf geografisch oder astronomisch Nord, nämlich jene horizontale Richtung, die zum geografischen Nordpol führt. In vielen anderen Fällen ist ein Bezug zu einem absoluten Bezugssystem nicht zielführend oder sogar unmöglich. Ein Beispiel für einen solchen Fall ist die Raumfahrt. In diesen Fällen kann ein relatives Bezugssystem definiert werden, auf das sich die Richtungsmessung bezieht.Direction measurement is a fundamental task of geodesy, geometry, astronomy, navigation and other areas of technology. It consists of an oriented angle measurement to determine horizontal angles or oriented measuring rays in a defined reference system. The reference system can be absolute. For example, many direction measurements on Earth refer to geographic or astronomical north, namely the horizontal direction that leads to the geographic North Pole. In many other cases, a reference to an absolute reference system is not useful or even impossible. One example of such a case is space travel. In these cases, a relative reference system can be defined to which the direction measurement refers.
Die Kenntnis einer Richtung eines Objekts ist beispielsweise für Navigationsanwendungen essentiell. Beispielsweise bei der Navigation von Flugbahnen, insbesondere bei großen Entfernungen, beispielsweise bei der Navigation für Raumfahrzeuge, muss dabei die Richtungsbestimmung sehr genau erfolgen, da bereits kleinste Abweichungen von bestimmter Richtung zur tatsächlichen Richtung eines Objekts zu großen Abweichungen bei der Erreichung eines vorbestimmten Ziels führen können.Knowing the direction of an object is essential for navigation applications, for example. For example, when navigating flight paths, especially over long distances, such as in spacecraft navigation, the direction must be determined very precisely, since even the smallest deviations from a certain direction to the actual direction of an object can lead to large deviations in reaching a predetermined destination.
Im Stand der Technik sind für die Richtungsmessung, insbesondere in einem relativen Bezugssystem, Kreiselinstrumente, auch Gyroskope oder kurz Gyros genannt, bekannt. Dabei dreht sich in einem beweglichen Lager ein rasch rotierender, symmetrischer Kreisel. Das Lager kann beispielsweise eine kardanische Aufhängung oder ein Rahmen in Form eines Käfigs sein. Aufgrund der Drehimpulserhaltung weist der Kreisel ein hohes Beharrungsvermögen gegenüber Lageänderungen im Raum auf. Gyros werden als Navigationsinstrumente sowie zur aktiven Lageregelung eingesetzt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. Bei der Lageregelung von Raumflugkörpern wie Satelliten wird ausgenutzt, dass das Gesamtsystem aus Raumflugkörper und Gyroskop seinen Drehimpuls beibehält und somit durch Drehimpulsübertragung zwischen beiden die Lage gesteuert werden kann. Ein Kreiselsystem lässt sich als abgeschlossenes System ansehen, dessen Drehimpuls konstant bleibt. Versucht eine äußere Kraft die Drehachse des Kreisels zu kippen, resultiert ein zur Kraft senkrechtes Drehmoment, dem sich der Drehimpuls nach der Regel vom gleichsinnigen Parallelismus anzugleichen strebt. Der Drehimpuls kippt senkrecht zur angreifenden Kraft. Die Drehachse ist über den Trägheitstensor an den Drehimpuls gekoppelt, weswegen die Kreiselachse dem Drehimpuls folgt und ihn dabei auf engem Kegel umläuft. Der Öffnungswinkel des Kegels ist beim symmetrischen Kreisel umgekehrt proportional zum Quadrat der Drehzahl und des Verhältnisses des axialen zum äquatorialen Hauptträgheitsmoment des Kreisels.In the state of the art, gyroscope instruments, also called gyroscopes or gyros for short, are known for measuring direction, especially in a relative reference system. A rapidly rotating, symmetrical gyroscope rotates in a movable bearing. The bearing can be, for example, a gimbal suspension or a frame in the form of a cage. Due to the conservation of angular momentum, the gyroscope has a high degree of inertia with regard to changes in position in space. Gyros are used as navigation instruments and for active attitude control, especially in aviation and aerospace. When controlling the attitude of spacecraft such as satellites, it is exploited that the overall system of spacecraft and gyroscope maintains its angular momentum and thus the position can be controlled by transferring angular momentum between the two. A gyroscope system can be viewed as a closed system whose angular momentum remains constant. If an external force tries to tilt the axis of rotation of the gyroscope, a torque perpendicular to the force results, which the angular momentum strives to match according to the rule of parallelism in the same direction. The angular momentum tilts perpendicular to the applied force. The axis of rotation is coupled to the angular momentum via the inertia tensor, which is why the gyro axis follows the angular momentum and orbits it in a narrow cone. In a symmetrical gyro, the opening angle of the cone is inversely proportional to the square of the speed and the ratio of the axial to the equatorial main moment of inertia of the gyro.
Der Begriff Kreisel oder Gyro wird mittlerweile in übertragender Weise für eine Vielzahl von Drehratensensoren verwendet, die keine Kreisel enthalten, aber den gleichen Zweck erfüllen wie ein tatsächliches Kreiselinstrument.The term gyro is now used in a figurative sense for a variety of angular rate sensors that do not contain gyros but serve the same purpose as an actual gyroscopic instrument.
Ein rotierendes Bezugssystem erzeugt drei so genannte fiktive Kräfte, nämlich die Corioliskraft, die Zentrifugalkraft und die Eulersche Kraft. Die überwältigende Mehrheit der kommerziellen Kreiselkonstruktionen basiert auf der Corioliskraft, die die Drehrate des Bezugssystems misst. Diese Winkelgeschwindigkeit muss einmal integriert werden, um die Winkelausrichtung des Rahmens zu erhalten. Auf der Messung der Corioliskraft basierende Winkelkreisel für Navigationszwecke variieren in Leistung und Größe, wobei einige der kleinsten 12 mm × 12 mm × 6 mm messen und einen Angle Random Walk (ARW) von
Unabhängig davon messen alle diese Kreisel die Winkelgeschwindigkeit. Um eine für Navigationsanwendungen erforderliche Winkelausrichtung des Bezugssystems zu erzeugen müssen sie eine Integration über die Zeit vornehmen. Allerdings führt jeder Restfehler in der Drehratenmessung, beispielsweise aufgrund von Sensorrauschen, zu einem Random Walk, also einer zufälligen Bewegung, der Winkelausrichtung nach der Integration mit einer oben bereits genannten Leistungskennzahl ARW in der Größenordnung von
Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Stand der Technik eine Verbesserung oder eine Alternative zur Seite zu stellen.The present invention is based on the object of providing an improvement or an alternative to the prior art.
Nach einem ersten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zur Richtungsmessung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem, wobei die Bewegung einer ersten Testmasse und einer zweiten Testmasse, die in einem als Bezugssystem dienenden rotierenden Kreisel voneinander beabstandet aufgehängt sind, als Summensignal erfasst wird, wobei der Abstand der beiden Testmassen weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm beträgt, und zusätzlich eine Differenz zwischen der Bewegung der ersten Testmasse und der Bewegung der zweiten Testmasse gemessen wird.According to a first aspect, the stated object is achieved by a method for measuring the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system, wherein the movement of a first test mass and a second test mass, which are suspended at a distance from one another in a rotating gyroscope serving as a reference system, is recorded as a sum signal, wherein the distance between the two test masses is less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm, and in addition a difference between the movement of the first test mass and the movement of the second test mass is measured.
Begrifflich sei hierzu folgendes erläutert:
- Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und unbestimmte Zahlenangaben wie „ein...“, „zwei...“ usw. im Regelfall als mindestens-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht etwa aus dem Kontext oder dem konkreten Text einer bestimmten Stelle ergibt, dass etwa dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein soll. Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametern im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung „wenigstens“ oder „mindestens“ o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwendung von „ein“, also ohne die Angabe von „wenigstens“ o.ä., ein „genau ein“ gemeint ist.
- It should be expressly pointed out that in the context of this patent application, indefinite articles and indefinite numerical statements such as "one...", "two...", etc. should generally be understood as at least statements, i.e. as "at least one...", "at least two...", etc., unless the context or the specific text of a particular passage indicates that only "exactly one...", "exactly two...", etc. are meant there. Furthermore, all numerical statements and statements on process parameters and/or device parameters are to be understood in the technical sense, i.e. as subject to the usual tolerances. Even the explicit specification of the restriction "at least" or "at least" or similar must not be used to conclude that "exactly one" is meant when "one" is simply used, i.e. without specifying "at least" or similar.
Eine „Richtungsmessung“ besteht in einer orientierten Winkelmessung zur Bestimmung horizontaler Winkel oder orientierter Messstrahlen in einem definierten Bezugssystem. Das Bezugssystem kann dabei absolut sein. Beispielsweise beziehen sich viele Richtungsmessungen auf der Erde auf geografisch oder astronomisch Nord. In vielen anderen Fällen ist ein Bezug zu einem absoluten Bezugssystem nicht zielführend oder sogar unmöglich. Ein Beispiel für einen solchen Fall ist die Raumfahrt. In diesen Fällen kann ein relatives Bezugssystem definiert werden, auf das sich die Richtungsmessung bezieht.A "directional measurement" consists of an oriented angle measurement to determine horizontal angles or oriented measuring rays in a defined reference system. The reference system can be absolute. For example, many direction measurements on Earth refer to geographic or astronomical north. In many other cases, a reference to an absolute reference system is not useful or even impossible. One example of such a case is space travel. In these cases, a relative reference system can be defined to which the direction measurement refers.
Unter einem „Objekt“ ist in dieser Schrift ein Körper zu bestehen, dessen Richtung zu bestimmen ist.In this text, an “object” is a body whose direction is to be determined.
Unter einer „Testmasse“ ist eine Masse zu verstehen, deren lineare Beschleunigung und/oder deren Winkelbeschleunigung gemessen wird. Eine Testmasse kann in einem Objekt ausschließlich zu diesem Zweck vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, eine Masse, die ursprünglich zu einem anderen Zweck in dem Objekt vorgesehen ist, als Testmasse zu nutzen.A "test mass" is a mass whose linear acceleration and/or angular acceleration is measured. A test mass can be intended for this purpose only in an object. However, it is also possible to use a mass that was originally intended for another purpose in the object as a test mass.
Ein „Kreisel“ ist ein Körper, der um eine Achse rotiert. Die Begriffe „Gyroskop“ oder kurz „Gyro“ werden in dieser Schrift als Synonyme für einen Kreisel verwendet. Die Begriffe werden darüber hinaus auch für ein Messinstrument benutzt, das eine ähnliche Aufgaben wie ein Kreiselinstrument wahrnimmt, auch wenn es keinen rotierenden Kreisel enthält. Beispiele sind Laserkreisel, Faserkreisel oder Vibrationskreisel. Bei dem erwähnten Messinstrument rotiert ein symmetrischer Kreisel in einem Lager, dem „Rahmen“. Aufgrund der Drehimpulserhaltung weist der Kreisel ein hohes Beharrungsvermögen gegenüber Lageänderungen im Raum auf. Wird die Drehgeschwindigkeit zwischen Kreisel und Rahmen gemessen, spricht man von einem Gyrometer. Gyroskope werden als Navigationsinstrumente sowie zur aktiven Lageregelung eingesetzt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. Bei der Lageregelung von Raumflugkörpern wie Satelliten wird ausgenutzt, dass das Gesamtsystem aus Raumflugkörper und Gyroskop seinen Drehimpuls beibehält und somit durch Drehimpulsübertragung zwischen beiden die Lage gesteuert werden kann.A "gyroscope" is a body that rotates around an axis. The terms "gyroscope" or "gyro" for short are used in this document as synonyms for a gyroscope. The terms are also used for a measuring instrument that performs a similar task to a gyroscope, even if it does not contain a rotating gyroscope. Examples are laser gyroscopes, fiber optic gyroscopes or vibration gyroscopes. In the measuring instrument mentioned, a symmetrical gyroscope rotates in a bearing, the "frame". Due to the conservation of angular momentum, the gyroscope has a high degree of inertia with regard to changes in position in space. If the rotational speed between the gyroscope and the frame is measured, it is called a gyroscope. ter. Gyroscopes are used as navigation instruments and for active attitude control, especially in aerospace. Attitude control of spacecraft such as satellites takes advantage of the fact that the entire system consisting of the spacecraft and the gyroscope retains its angular momentum and thus the attitude can be controlled by transferring angular momentum between the two.
Der „Angle Random Walk“ oder kurz „ARW“ beschreibt das weiße Rauschen am Ausgang eines Gyros, wobei weißes Rauschen ein Rauschen mit einem konstanten Leistungsdichtespektrum in einem bestimmten Frequenzbereich ist und häufig verwendet wird, um Störungen in einem sonst idealen Modell zu beschreiben. Der ARW wird in
Ein „Magnetometer“ ist eine sensorische Einrichtung zur Messung magnetischer Flussdichten.A “magnetometer” is a sensory device for measuring magnetic flux densities.
Der Begriff „Laser“ wird in dieser Schrift für eine Laserstrahlen erzeugende Vorrichtung verwendet. Laserstrahlen sind elektromagnetische Wellen hoher Intensität in einem sehr engem Frequenzbereich - sogenanntes monochromatisches Licht -, wobei der Strahl eine scharfer Bündelung und großer Kohärenzlänge aufweist. Laser haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Technik und werden insbesondere in Entfernungsmessgeräten eingesetzt.The term "laser" is used in this document for a device that generates laser beams. Laser beams are electromagnetic waves of high intensity in a very narrow frequency range - so-called monochromatic light - where the beam has a sharp focus and a long coherence length. Lasers have numerous applications in technology and are used in particular in distance measuring devices.
Der Kreisel und der Beschleunigungsmesser sind erfindungsgemäß derselbe Sensor. Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt zwei Testmassen, die im Abstand von wenigen Millimetern, d.h. in einem Abstand von weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm, aufgehängt sind. Die Bewegung der gemeinsamen Testmasse (Summensignal) stellt die lineare Beschleunigung dar. Die Differenzbewegung der Testmasse Bewegung (Differenzsignal) repräsentiert die Winkelbeschleunigung. Die beiden Messungen erfassen den exakt denselben Punkt im Raum, nämlich den Massenschwerpunkt des Zweimassensystems, wodurch die zuvor erläuterten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren mit unterschiedlichen Montageorten von Testmassen vermieden werden können.According to the invention, the gyroscope and the accelerometer are the same sensor. The method according to the invention uses two test masses that are suspended at a distance of a few millimeters, i.e. at a distance of less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm. The movement of the common test mass (sum signal) represents the linear acceleration. The difference in the test mass movement (difference signal) represents the angular acceleration. The two measurements record exactly the same point in space, namely the center of mass of the two-mass system, whereby the previously explained disadvantages of the measuring methods known from the prior art with different mounting locations of test masses can be avoided.
Die Testmassen können an einer Aufhängevorrichtung, beispielsweise einem Rahmen, in dem rotierenden Kreisel aufgehangen werden. Erfindungsgemäß wird die Eulerkraft zur Bestimmung der Winkelausrichtung der Testmassen bzw. der Aufhängevorrichtung gemessen anstelle der Corioliskraft, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Die Corioliskraft erfasst die Winkelgeschwindigkeit, während die Eulerkraft die Winkelbeschleunigung erfasst. Dies bedeutet, dass die Euler-Kraft doppelt über die Zeit integriert werden muss, um die Winkelausrichtung der Testmassen bzw. der Aufhängevorrichtung auszulesen, anstatt einfach integriert zu werden, wie dies bei der Bestimmung der Winkelausrichtung über die Corioliskraft erforderlich ist. Dies führt allerdings zu einer ungünstige Änderung in der Zeitskalierung des ARW. Anstelle der Skalierung mit der Quadratwurzel aus Zeit -
Der erste Vorteil kann darin bestehen, dass keine Resonanzstruktur erforderlich ist, wie sie für eine Coriolis-Kraftmessung erforderlich ist. Dies ist wichtig, weil die Verstärkung des Coriolis-Kraftsensors direkt proportional zur Resonanzamplitude ist. Ein Austreten der akustischen Energie aus der Resonanzstruktur ist unvermeidlich und kann nahegelegene Sensoren, wie z. B. physisch nahe lineare Beschleunigungssensoren, stören, insbesondere wenn die Verstärkung maximiert wird. Da die akustische Energie immer elektrisch angetrieben wird, kann dies auch zu EMF (induktiv gekoppelte elektromotorische Kraft) führen, was für bestimmte Präzisionsmessungen, wie z. B. Quantenmessungen, problematisch ist. Ein Beispiel, bei dem dies relevant ist, ist die Atom Interferometrie, die extrem empfindlich auf externe Magnetfelder reagiert, aber auch über Beschleunigungsmesser und Kreisel zur Stabilisierung.The first advantage may be that no resonant structure is required, as is required for a Coriolis force measurement. This is important because the gain of the Coriolis force sensor is directly proportional to the resonance amplitude. Leakage of the acoustic energy from the resonant structure is inevitable and may interfere with nearby sensors, such as physically close linear accelerometers, especially when the gain is maximized. Since the acoustic energy is always electrically driven, it may also result in EMF (inductively coupled electromotive force), which is problematic for certain precision measurements, such as quantum measurements. One example where this is relevant is atom interferometry, which is extremely sensitive to external magnetic fields, but also has accelerometers and gyroscopes for stabilization.
Der zweite Vorteil kann darin bestehen, dass die Präzision auf kurzen Zeitskalen erhöht wird. Dies lässt sich Dies wird durch das oben erwähnte unterschiedliche Skalierungsgesetz für den ARW deutlich. Skalierung mit
Die Signale der Beschleunigungssensoren können zur Lagebestimmung mittels eines Magnetometers, wie es dem Fachmann aus dem Stand bekannt ist, referenziert werden.The signals from the acceleration sensors can be referenced to determine the position using a magnetometer, as is known to those skilled in the art.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der ARW durch einen Filteralgorithmus verändert. Dies kann insbesondere für lange Zeitskalen zu Vorteilen führen. Unter einer langen Zeitskala werden hier Zeiten in der Größenordnung von 1 Sekunde verstanden. Auf einer solchen langen Zeitskala kann die erfindungsgemäße Skalierung ungünstig werden. Dies kann durch den Filteralgorithmus kompensiert werden. Der Schlüssel ist ein möglichst möglichst geringes Messrauschen, so dass nach doppelter Integration die Gesamtleistung über eine Zeitspanne von etwa 1 Sekunde besser ist. Dann kann der Filteralgorithmus die Verschlechterung, die über längere Zeiträume auftritt, durch Referenzierung der Beschleunigungs- und Magnetometer-Messungen verbessern.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the ARW is changed by a filter algorithm. This can lead to advantages, especially for long time scales. A long time scale is understood here to mean times in the order of 1 second. On such a long time scale, the scaling according to the invention can become unfavorable. This can be compensated by the filter algorithm. The key is to keep the measurement noise as low as possible, so that after double integration the overall performance is better over a period of about 1 second. The filter algorithm can then compensate for the deterioration that occurs over longer periods. dreams occurs by referencing the acceleration and magnetometer measurements.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bewegung der ersten Testmasse und der zweiten Testmasse von einer Beschleunigungsmessvorrichtung, die in dem Kreisel inkludiert ist, gemessen. Die Einbeziehung des linearen Beschleunigungssensors zusammen mit dem Kreisel bedeutet, dass der Fusionsalgorithmus implizit in der Konstruktion enthalten ist. Die Leistung des Kreisels kann auf langen Zeitskalen durch den Beschleunigungsmesser verbessert werden, während auf kurzen Zeitskalen die Leistung durch die Messung der Euler Kraft anstelle der Corioliskraft verbessert werden kann.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the motion of the first test mass and the second test mass is measured by an accelerometer device included in the gyroscope. The inclusion of the linear acceleration sensor together with the gyroscope means that the fusion algorithm is implicit in the design. The performance of the gyroscope can be improved on long time scales by the accelerometer, while on short time scales the performance can be improved by measuring the Euler force instead of the Coriolis force.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bewegung der ersten Testmasse und/oder der zweiten Testmasse mit Hilfe der hohlraumverstärkten Interferometrie gemessen.. Um die Winkelausrichtung durch Messung der Eulerkraft zu messen, muss die zugrundeliegende Präzision der Messung außergewöhnlich sein. Andernfalls driftet der ARW in Milli- oder Mikrosekunden. Selbst wenn dies durch einen Filteralgorithmus kompensiert würde, brächte dies keinen signifikanten Vorteil gegenüber dem Stand der Technik bringen, zumindest nicht in Bezug auf die reine Leistung. Deshalb wird in dieser Ausführungsform die Interferometrie mit Hohlraumverstärkung als Messverfahren vorgeschlagen, da dies das derzeit beste Verfahren der Präzisionsverschiebungsmessung darstellt.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the movement of the first test mass and/or the second test mass is measured using cavity-enhanced interferometry. In order to measure the angular orientation by measuring the Euler force, the underlying precision of the measurement must be exceptional. Otherwise, the ARW drifts in milli- or microseconds. Even if this were compensated by a filter algorithm, this would not bring any significant advantage over the state of the art, at least not in terms of pure performance. Therefore, in this embodiment, cavity-enhanced interferometry is proposed as the measurement method, since this is currently the best method of precision displacement measurement.
Nach einem zweiten Aspekt löst die gestellte Aufgabe eine Vorrichtung zur Richtungsmessung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem, wobei in einem rotierbaren Kreisel eine erste Testmasse und eine zweite Testmasse voneinander beabstandet aufgehängt sind und die Vorrichtung eine Längenmessvorrichtung aufweist, wobei der Abstand der beiden Testmassen weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm beträgt, und wobei die Vorrichtung weiterhin eine Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung aufweist, mit der eine Winkelbeschleunigung der ersten Testmasse und der zweiten Testmasse messbar ist.According to a second aspect, the stated object is achieved by a device for measuring the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system, wherein a first test mass and a second test mass are suspended at a distance from one another in a rotatable gyroscope and the device has a length measuring device, wherein the distance between the two test masses is less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm, and wherein the device further has an angular acceleration measuring device with which an angular acceleration of the first test mass and the second test mass can be measured.
Seien die zwei Testmassen m1 und m2, die durch einen Abstand r getrennt sind. Die beiden Testmassen erfahren bei einer gegebenen linearen Beschleunigung a und/oder Rotationsbeschleunigung Ω um eine Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung eine Längenänderung ΔL1 und ΔL2.Let there be two test masses m 1 and m 2 , which are separated by a distance r. The two test masses experience a change in length ΔL 1 and ΔL 2 for a given linear acceleration a and/or rotational acceleration Ω about an axis perpendicular to the direction of motion.
Da eine plötzliche Änderung der Drehrate dazu führt, dass sich jede Testmasse in entgegengesetzte Richtungen bewegt, ist die Summe ihrer Längenänderung bei reinen Drehratenänderungen gleich Null, also ΔL1 + ΔL2 = 0. Ihre Differenz ist jedoch proportional zur Änderung der Winkelgeschwindigkeit, also ΔL1 - ΔL2 ∝ Ω.Since a sudden change in the angular rate causes each test mass to move in opposite directions, the sum of their length changes for pure angular rate changes is zero, i.e. ΔL 1 + ΔL 2 = 0. However, their difference is proportional to the change in angular velocity, i.e. ΔL 1 - ΔL 2 ∝ Ω.
Umgekehrt bewirkt eine Eingangsbeschleunigung, dass sich beide Prüfmassen in dieselbe Richtung bewegen und daher ist die Differenz ihrer Längenänderung bei reiner Linearbeschleunigung gleich Null, also ΔL1 - ΔL2 = 0. Ihre Summe ist jedoch in diesem Fall proportional zur linearen Eingangsbeschleunigung, also ΔL1 + ΔL2 ∝ a.Conversely, an input acceleration causes both test masses to move in the same direction and therefore the difference in their length change is zero for pure linear acceleration, i.e. ΔL 1 - ΔL 2 = 0. However, their sum is in this case proportional to the linear input acceleration, i.e. ΔL 1 + ΔL 2 ∝ a.
Mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich unter Ausnutzung dieser Gegebenheiten die Richtung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem bestimmen.Using these conditions, the method according to the invention described above can be used to determine the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Längenmessvorrichtung einen Laser auf. Laser haben sich für präzise Längenmessungen bewährt.In one embodiment of the device according to the invention, the length measuring device has a laser. Lasers have proven to be useful for precise length measurements.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung einen Laser auf. Auch für die präzise Messung von Winkelbeschleunigungen haben Laser bewährt.In a further embodiment of the device according to the invention, the angular acceleration measuring device has a laser. Lasers have also proven to be useful for the precise measurement of angular accelerations.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen sowohl die Längenmessvorrichtung als auch die Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung einen Laser auf, wobei die Längenmessvorrichtung und die Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung einen gemeinsamen Laser aufweisen. Durch den gemeinsamen Laser kann die Vorrichtung besonders kompakt gebaut werden, wobei gleichzeitig keine besonderen Vorkehrungen für eine Synchronisation von mehreren Lasern getroffen werden müssen.In a further embodiment of the device according to the invention, both the length measuring device and the angular acceleration measuring device have a laser, whereby the length measuring device and the angular acceleration measuring device have a common laser. The common laser allows the device to be built particularly compactly, whereby at the same time no special precautions have to be taken for synchronizing several lasers.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen können einzeln verwendet oder auch beliebig miteinander kombiniert werden.The embodiments described above can be used individually or combined with each other as desired.
Die Erfindung sei nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dort zeigen
-
1 eine schematische Darstellung des Messprinzips für je eine Achse der linearen Beschleunigung und der Drehbeschleunigung, -
2 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, -
3 eine schematische, perspektivische Darstellung eines 6-Achsen-Sensors unter Verwendung eines kubischen Abstandshalters.
-
1 a schematic representation of the measuring principle for one axis each of linear acceleration and rotational acceleration, -
2 a schematic, perspective view of an embodiment of the device according to the invention, -
3 a schematic perspective view of a 6-axis sensor using a cubic spacer.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.The embodiments shown here are only examples of the present invention and should therefore not be understood as limiting. Alternative embodiments considered by those skilled in the art are equally included within the scope of the present invention.
Liste der verwendeten BezugszeichenList of reference symbols used
- aa
- lineare Beschleunigunglinear acceleration
- ILIL
- Input LaserInput Laser
- L1L1
- Länge des ersten optischen HohlraumsLength of the first optical cavity
- L2L2
- Länge des zweiten optischen HohlraumsLength of the second optical cavity
- L3L3
- Länge des dritten optischen HohlraumsLength of the third optical cavity
- m1m1
- erste Testmassefirst test mass
- m2m2
- zweite Testmassesecond test mass
- rr
- AbstandDistance
- vv
- LaserfrequenzLaser frequency
- ΔvΔv
- optische Frequenzverschiebung des Hohlraumsoptical frequency shift of the cavity
- ΔL1ΔL1
- Längenänderung der ersten TestmasseLength change of the first test mass
- ΔL2ΔL2
- Längenänderung der zweiten TestmasseLength change of the second test mass
- ΩΩ
- RotationsbeschleunigungRotational acceleration
- 1010
- erster Teillaserstrahlfirst partial laser beam
- 1111
- zweiter Teillaserstrahlsecond partial laser beam
- 1212
- dritter Teillaserstrahlthird partial laser beam
- 2020
- erster optischer Hohlraumfirst optical cavity
- 2121
- zweiter optischer Hohlraumsecond optical cavity
- 2222
- dritter optischer Hohlraum, Referenzhohlraumthird optical cavity, reference cavity
- 2525
- Hohlraum-AbstandhalterblockCavity spacer block
- 2626
- Bohrungdrilling
- 3030
- erstes Spiegelsubstratfirst mirror substrate
- 3131
- erster mechanischer Oszillatorfirst mechanical oscillator
- 3232
- zweiter mechanischer Oszillatorsecond mechanical oscillator
- 3535
- FederFeather
- 4040
- zweites Spiegelsubstratsecond mirror substrate
- 4141
- erster gekrümmter Spiegelfirst curved mirror
- 4242
- zweiter gekrümmter Spiegelsecond curved mirror
- 4343
- dritter gekrümmter Spiegelthird curved mirror
- 5050
- drittes Spiegelsubstratthird mirror substrate
Claims (8)
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---|---|---|---|
DE102022130886.3A DE102022130886A1 (en) | 2022-11-22 | 2022-11-22 | DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE |
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---|---|---|---|
DE102022130886.3A DE102022130886A1 (en) | 2022-11-22 | 2022-11-22 | DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE |
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4445376A (en) | 1982-03-12 | 1984-05-01 | Technion Research And Development Foundation Ltd. | Apparatus and method for measuring specific force and angular rate |
DE3432150A1 (en) | 1983-09-02 | 1985-04-04 | Sundstrand Data Control, Inc., Redmond, Wash. | DEVICE FOR MEASURING THE SPECIFIC INERTIA AND THE ANGLE SPEED OF A MOVING BODY AND ACCELERATOR ARRANGEMENTS THEREFOR |
US20070240486A1 (en) | 2005-03-04 | 2007-10-18 | Moore Robert H | Inertial measurement system and method with bias cancellation |
US20120231570A1 (en) | 2008-08-22 | 2012-09-13 | The Regents Of The University Of California | Single wafer fabrication process for wavelength dependent reflectance for linear optical serialization of accelerometers |
-
2022
- 2022-11-22 DE DE102022130886.3A patent/DE102022130886A1/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4445376A (en) | 1982-03-12 | 1984-05-01 | Technion Research And Development Foundation Ltd. | Apparatus and method for measuring specific force and angular rate |
DE3432150A1 (en) | 1983-09-02 | 1985-04-04 | Sundstrand Data Control, Inc., Redmond, Wash. | DEVICE FOR MEASURING THE SPECIFIC INERTIA AND THE ANGLE SPEED OF A MOVING BODY AND ACCELERATOR ARRANGEMENTS THEREFOR |
US20070240486A1 (en) | 2005-03-04 | 2007-10-18 | Moore Robert H | Inertial measurement system and method with bias cancellation |
US20120231570A1 (en) | 2008-08-22 | 2012-09-13 | The Regents Of The University Of California | Single wafer fabrication process for wavelength dependent reflectance for linear optical serialization of accelerometers |
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