DE19721217C1 - Vorrichtung zur Kalibrierung mehrerer Kreiselsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Kalibrierung mehrerer mehrachsiger Kreiselsysteme, insbesondere faseroptische Kreiselsysteme, in sämtlichen Meßachsen mit einem Einachsdrehtisch.

Kreisel als Drehratensensoren, wie sie z. B. aus Applied Optics, Vol. 29, Nr. 36, 20. 12. 90, Seiten 5360 bis 5365 in der Form von faseroptischen Kreiseln bekannt sind, weisen komplizierte temperaturabhängige Ausgangssignale der Meßwertaufnehmer auf, aus denen über eine dem speziellen Kreiseltyp entsprechende Auswerteformel die gemessene Drehrate berechnet wird. Eine Berechnungsformel ist beispielsweise unter Gleichung 26 in der o.g. Literaturstelle angegeben und gibt den Zusammenhang zwischen den Signalen P1, P2 und P3 der hier als Meßwertaufnehmer dienenden Fotodioden zu der gemessenen Drehrate Ω wieder, wobei hierbei zur Berücksichtigung der individuellen Eigenschaften des Kreisels spezielle Koeffizienten f1 bis f6 auftreten, die vorher durch Kalibrierung des Kreisels auf einem Drehtisch ermittelt werden müssen. Hierzu wird der Kreisel bei mehreren bekannten Drehraten in Rotation versetzt, die Meßsignale der Fotodioden gemessen und aus ihnen die Koeffizienten berechnet. Diese werden dann dem Speicher des Kreisels einprogrammiert und dienen ab jetzt als Basis für die Berechnung inertialer Drehraten durch den Kreiselrechner. Da die Koeffizienten f1 bis f6 temperaturabhängig sind, müssen zur Kompensation temperaturabhängiger Fehler die Rotationen auf dem Drehtisch bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden. Um also einen Kreisel im Temperaturbereich zwischen -53°C und +85°C temperaturkompensiert betreiben zu können, muß die Bestimmung der Koeffizienten mittels mehrerer bekannter Drehraten auf einem Drehtisch mit integrierter Temperaturkammer bei diskreten Temperaturstützstellen im gesamten Temperaturbereich erfolgen. Das Durchlaufen des gesamten Temperaturbereichs und die Bestimmung der Koeffizienten an diskreten Temperaturstützstellen erfordert einen beträchtlichen Zeitaufwand, typischerweise 12 Stunden.

Im Falle eines dreiachsigen Kreiselsystems ist es erforderlich, alle drei orthogonalen Achsen einzeln zu kalibrieren. Dies kann nach dem Stand der Technik auf zwei verschiedene Weisen erfolgen:

• 1. Die Bestimmung der Koeffizienten bei verschiedenen Temperaturstützstellen wird nacheinander zuerst für die X-Achse, dann für die Y-Achse und dann für die Z-Achse vorgenommen. Die Rotation um die drei verschiedenen Achsen erfolgt durch Umspannen des Kreiselsystems auf dem Drehtisch auf die entsprechenden Achsen am Ende des jeweiligen Temperaturzyklus. Die Gesamtzeit der Kalibrierung ist dann dreimal so lang wie die eines Einachskreisels, wobei die jeweiligen Umspannzeiten hinzukommen.
• 2. Die Bestimmung der Koeffizienten kann für die verschiedenen Achsen auch sukzessive bei der gleichen Stützstellentemperatur vorgenommen werden, in dem ein Mehrachsendrehtisch verwendet wird, welcher eine wahlweise Rotation um jede der Achsen erlaubt. Es wird also bei einer bestimmten Temperatur z. B. erst um die X-Achse, dann um die Y-Achse und dann um die Z-Achse rotiert, dabei für die jeweilige Temperatur die Koeffizienten für die drei Achsen errechnet und anschließend eine neue Stützstellentemperatur angefahren, und der gleiche Vorgang wiederholt. Der Zeitaufwand dieser Methode ist ähnlich wie bei der ersten, wobei jedoch zusätzlich ein kostenintensiver Mehrachsdrehtisch innerhalb der Temperaturkammer benötigt wird.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kalibrierung mehrachsiger Kreiselsysteme zu schaffen, mit welcher auch mehrere Kreiselsysteme gleichzeitig in kürzerer Zeit als bisher kalibriert werden können. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt auf einem Einachsdrehtisch mit integrierter Temperaturkammer zur Anwendung, wobei die Bestimmung der o.g. Koeffizienten für alle Meßachsen simultan erfolgt. Hierzu ist jedes Kreiselsystem auf einem Drehgestell so angeordnet, daß gleiche Meßachsen der Kreiselsysteme, also sämtliche X-Achsen bzw. sämtliche Y-Achsen bzw. sämtliche Z-Achsen eine gleiche Komponente der Drehung des Drehgestelles erfahren und keine der Komponenten Null ist. Dies wird z. B. dadurch erreicht, daß die Flächen- oder Raumdiagonalen der Meßachsen sämtlicher Kreiselsysteme innerhalb des Drehgestelles einen gleichen Winkel, einschließlich des Winkels Null, zur Drehachse des Drehgestelles einnehmen. Auf diese Weise werden für jede Temperaturstützstelle alle drei Meßachsen sämtlicher Kreiselsysteme simultan rotiert und die simultanen Meßsignale der einzelnen Fotodioden aller Meßachsen zur Berechnung der Koeffizienten ermittelt. Anschließend wird die nächste Temperaturstützstelle angefahren und das Verfahren wiederholt. Diese Prozedur dauert nicht länger als die eines einachsigen Kreisels unter Verwendung eines Einachsdrehtisches.

Das Drehgestell ist vorteilhafterweise so aufgebaut, daß sämtliche darin plazierten Kreiselsysteme n-strahlig-symmetrisch um dessen Drehachse verteilt angeordnet sind. Die Kreiselsysteme können zusätzlich innerhalb des Drehgestelles in mehreren Ebenen senkrecht zu dessen Drehachse angeordnet sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Einachsdrehtisch mit Drehgestell für faseroptische Kreiselsysteme und

Fig. 2 eine Aufsicht auf das Drehgestell und die Kreiselsysteme gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen an sich bekannten Einachsdrehtisch 1 mit aufgesetzter Temperaturkammer 2, in welcher ein Drehteller 3 mit definierten einstellbaren Drehraten rotiert; hierzu ist der Drehteller 3 mit einem regelbaren Antriebsmotor M über eine Welle 4, welche durch den Boden der Temperaturkammer 2 hindurchführt, verbunden. Auf dem Drehteller 3 ist im dargestellten Fall ein zweistöckiges Drehgestell befestigt, wobei jedes "Stockwerk" eine Basisplatte 6 bzw. 7, einen zylindrischen Stützring 8 bzw. 9 und gleichmäßig über den Umfang verteilte Aufnahmeflächen 10.1 bis 10.n bzw. 11.1 bis 11.n aufweist. Auf diesen Aufnahmeflächen sind im dargestellten Fall dreiachsige faseroptische Kreiselsysteme zum Zwecke einer gleichzeitigen Kalibrierung bei mehreren definierten Temperaturpunkten befestigt. Die erfindungsgemäße Eichvorrichtung kann unabhängig vom physikalischen Meßprinzip des zu kalibrierenden Kreiselsystems (z. B. faseroptisch, mechanisch, schwingende Struktur) verwendet werden. Die vom Meßsystem zu messende Drehbewegung, d. h. die Sollvorgabe für die Kalibrierung sind durch die Geometrie der Anordnung eindeutig vorgegeben. Die Kreiselsysteme besitzen im dargestellten Falle eine zylindrische Form, wobei die Zylinderachse gleichzeitig eine der Meßachsen, im gezeigten Fall die X-Achse darstellt.

Die Orientierung der Aufnähmeflächen 10.1 bis 10.n.n bzw. 11.1 bis 11.n und damit die Orientierung der X-Achsen aller Kreiselsysteme in Bezug auf die Drehachse 4.1 ist so gewählt, daß der durch diese Achsen eingeschlossene Winkel ϕ der Bedingung cosϕ = 1/√3 genügt; d. h. ϕ ist ungefähr gleich 54,74°. Die Orientierung der übrigen Meßachsen, hier also die Y-und Z-Achse wird besser aus Fig. 2 ersichtlich und ist zum einen so gewählt, daß beide Achsen eines Kreiselsystems jeweils parallel zur Ebene einer Aufnahmefläche und weiterhin spiegelsymmetrisch zu der durch die Drehachse 4.1 und die jeweilige X-Achse aufgespannte Ebene verlaufen. Bei der so gewählten Orientierung verläuft die Raumdiagonale der drei Meßachsen parallel zur Drehachse 4.1; damit erhalten sämtliche Meßachsen eines Kreiselsystems bei einer Drehung des Drehgestelles 5 eine gleiche Komponente dieser Drehung. Da dies für sämtliche Kreiselsysteme auf dem Drehgestell gilt, erfahren somit alle X-Achsen bzw. alle Y-Achsen bzw. alle Z-Achsen eine gleiche Komponente der Drehung, da ihre jeweiligen Komponenten in Richtung der Drehachsen 4.1 gleich sind.

Bei der Orientierung der Kreiselsysteme auf dem Drehgestell ist es nicht zwingend erforderlich, daß die einzelnen Meßachsen eines einzigen Kreiselsystems untereinander eine gleichgroße Komponente in Bezug auf die Drehachse 4.1 besitzen; es muß lediglich sichergestellt sein, daß gleiche Meßachsen sämtlicher Kreiselsysteme, also z. B. sämtliche X-Achsen, die gleiche Komponente in Bezug auf die Drehachse 4.1 aufweisen.

Aufgrund des konzentrischen, mehrstöckigen Aufbaus des Drehgestells 5 kann das Volumen der Thermokammer 2 optimal für eine große Anzahl von gleichzeitig zu kalibrierenden Kreiselsystemen ausgenutzt werden.

Falls eine oder mehrere der Meßachsen eines Kreiselsystems einen Fehler in der Achsenausrichtung aufweist, dann ist die Projektion der Rotation des Drehgestelles auf die jeweilige Meßachse bei der oben beschriebenen Diagonalaufspannung während der Kalibration größenordnungsmäßig mit dem gleichen Fehler behaftet. Die Folge ist ein Fehler in den Koeffizienten für den sog. Skalenfaktor (hier f6), der zu einem Skalenfaktorfehler der gleichen Größenordnung führt. Dieser Fehler ist jedoch nicht temperaturabhängig, da hier der Fehler aus der Genauigkeit der mechanischen Ausrichtung der Meßachsen herrührt, welcher in erster Näherung nicht von der Temperatur abhängt. Dieser Fehler läßt sich auf einfache Weise bestimmen, in dem das Kreiselsystem im Anschluß an die temperaturabhängige Diagonaikalibrierung bei konstanter Temperatur zuerst um die X-Achse, dann um die Y-Achse und schließlich um die Z-Achse gedreht wird und bei einer bekannten, durch den Drehtisch vorgegebenen Drehrate durch Vergleich von Kreiselsignal und Drehtischdrehrate die Diskrepanz in der Meßdrehrate bestimmt wird. Daraus läßt sich schließlich der Restfehler im Skalenfaktor ermitteln, so daß dieser als Korrekturgröße den Kreiselkoeffizienten zugeschlagen wird (hier also die Korrektur von f6(T) mit dem Faktor der Diskrepanz, gebildet aus dem Verhältnis von gemessener Drehrate zur Drehtischdrehrate). Da die Umspannung bei einer beliebigen Temperatur, also z. B. bei Zimmertemperatur erfolgen kann, und das Anfahren der Drehraten mit dem Drehtisch relativ schnell erfolgt, bedeutet diese Korrektur keine signifikante Erhöhung der Kalibrierzeit. Für den Fall einer solchen Korrektur des Skalenfaktors ist es vorteilhaft, wenn die oberste Ebene des Drehgestelles 5 eine Abschlußplatte 14 mit zentraler Aufnahme für ein einziges Kreiselsystem 15 (in der Fig. 1 jeweils gestrichelt dargestellt) aufweist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur gleichzeitigen Kalibrierung mehrerer mehrachsiger Kreiselsysteme, insbesondere faseroptische Kreiselsysteme in sämtlichen Meßachsen mit einem Einachsdrehtisch, gekennzeichnet durch ein mit der Drehachse (4.1) des Einachsdrehtisches (1) verbundenes Drehgestell (5), auf welchem die Kreiselsysteme (12.1 bis 12.n; 13.1 bis 13.n) derart angeordnet sind, daß gleiche Meßachsen (X, Y, Z) der Kreiselsysteme (12.1 bis 12.n; 13.1 bis 13.n) eine gleiche Komponente der Drehung des Drehgestelles (5) erfahren und keine der Komponenten Null ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen- oder Raumdiagonalen der Meßachsen (X, Y, Z) sämtlicher Kreiselsysteme (12.1 bis 12.n; 13.1 bis 13.n) innerhalb des Drehgestelles (5) einen gleichen Winkel, einschließlich des Winkels Null, zur Drehachse 4.1 des Drehgestells (5) einnehmen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselsysteme (12.1 bis 12.n; 13.1 bis 13.n) innerhalb des Drehgestelles (5) derart angeordnet sind, daß keine ihrer Meßachsen (X, Y, Z) senkrecht zur Drehachse (4.1) des Drehgestelles (5) gerichtet ist und die Komponenten in Richtung der Drehachse (4.1) für alle Meßachsen oder zumindest für gleiche Meßachsen (Y oder Z) gleich sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselsysteme (12.1 bis 12.n; 13.1 bis 13.n) innerhalb des Drehgestelles (5) n-strählig-symmetrisch um dessen Drehachse (4.1) verteilt angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselsysteme (12.1 bzw. 12.n; 13.1 bzw. 13.n) innerhalb des Drehgestelles (5) in mehreren Ebenen senkrecht zu dessen Drehachse (4.1) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehgestell (5) eine in der Drehachse (4.1) angeordnete Befestigungseinrichtung (14) zur Drehung eines einzelnen Kreiselsystems (15) um eine seiner Meßachsen aufweist.