DE2218397A1

DE2218397A1 - Linearisierungssystem für Ring-Laser-Gyroskop

Info

Publication number: DE2218397A1
Application number: DE19722218397
Authority: DE
Inventors: Sidney Gardner Brea Calif.; Hoffman James Tracey Kettering Ohio; Hutchings Thomas Joe Orange Calif. Shutt
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1971-04-19
Filing date: 1972-04-15
Publication date: 1972-11-02
Also published as: US3721497A; GB1321208A; CA964754A; FR2180471B1; DE2218397C3; DE2218397B2; FR2180471A1

Description

NORTH AF4ERICAN ROCKWELL CORPORATION, 1700 EAST IMPERIAL HIGHWAY,- EL SEGUNDO, CALIFORNIA 90245, U.S.A.

Linearisierungssystem für Ring-Laser-Gyroskop

Die Erfindung richtet sich auf ein System, das in Verbindung mit einem Ring-Laser-Gyroskop arbeitet, der einen Ausgang besitzt, der durch die Gleichung ^= ~O» + -^^ Sinus ( ψ + C ) definiert wird, so daß das System den Ausdruck e auf Null bringt. In der Gleichung ist -ß-das Eingangsdreh-Verhältnis, des Ring-Laser-Gyroskops, -Λ, ist die Einschlußrate oder die Rate, unterhalb der kein Ausgang aufgrund von Frequenzein-Schließung der zwei optischen Oszillatoren erhalten wird, ψ ist die augenblickliche Phasendifferenz zwischen den zwei optischen Oszillatoren und e ist der Phasenwinkel zur Zeit Ϊ, der gleich Null ist. Zusätzliche elektronische Schaltungen ermöglichen dann, den gesamten Ausdruck auf Null zu bringen.

Ein typisches Ring-Laser-Gyroskop besteht aus einem.quadratförrnigen oder dreieckigen Lichtweg, mit hochreflektierenden Spiegeln an dessen Ecken. Die Lichtquelle besteht z.B. aus mindestens einem Helium-Neon-Gas-Entladungsrohr, das in dem optischen Weg von einem der Arme des Dreieckes oder des Quadrates angeordnet ist, so daß ein erzeugter oszillierender Laserstrahl den Ring in entgegengesetzten Richtungen durchläuft und teilweise durch einen der Reflektoren, der ein Teilreflektor ist, übertragen wird. Zwei Ausgangsstrahlen werden dabei erzeugt, und dies.e,_:zwe4. -S.^Bhlen werden kombiniert und einem fotoempfindliehen Element zugeführt, um elektrische Signale zu bilden, die

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miteinander verglichen werden, um eine Information über die Drehrichtung des Laserrings und die Drehungsrate zu liefern. Bei dieser Systemart treten zwei größere Probleme auf. Ein Problem ist die Frequenzeinschließung, die auftritt, wenn die Frequenzdifferenz zwischen den zwei gegeneinander laufenden Strahlen unterhalb eines gewissen Grenzwertes fallen, zu welcher Zeit die zwei entgegengesetzt rotierenden Strahlen sich aneinander anschließen und keine Winkeldifferenz-Informationen an dem Ausgang mehr erhältlich sind. Ein anderes Problem existiert darin, daß gerade oberhalb dieser Zusammenschließ-Frequenzen es .einen nichtlinearen Ausgangsbereich gibt, was wiederum Fehler in der Winkeleinstellungs-Information ergibt, die von dem Ring-Laser-Gyroskop erhalten wird.

Die Anmeldung ist auf dies letzt genannte Problem gerichtet,:indem ein System zur Linearisierung des Ausganges des Ring-Laser-Gyroskops bis herab zu Frequenzen erreicht wird, v/o Phasenzusammenschluß auftritt.

Bei einer vorzugsweisen Ausführungsforra der Erfindung wird einer der rotierenden Strahlen von dem Ring-Laser-Gyroskop auf einen piezoelektrischen Spiegel gerichtet und wird von dort auf einen Strahlaufspalter reflektiert, zusammen mit dem in entgegengesetzter Richtung rotierenden Strahl, um einen kombinierten Strahl zu bilden. Die kombinierten Strahlen werden dann von einem Fotodetektor gemessen. Eine Zählereinrichtung erhält das Signal von dem Fotodetektor und vergleicht dieses Signal mit einer Impulsfolge von einem Taktgeber-Generator für eine gewünschte Zeitdauer (bei der vorzugsweisen Ausführungsform ein Zyklus). Die Zeitdifferenz zwischen den positiven und den negativen Teilen eines Zyklus werden dann einem Servo-Netzwerk zugeführt, dessen Ausgang zur piezoelektrischen Spiegeleinrichtung zurückgeführt wird, um so die Phase eines der rotierenden Strahlen zu verändern, um zu dem in entgegengesetzter Richtung rotierenden Strahl zu korrespondieren. Eine zweite Zählereinrichtung erhält.

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den Ausgang von dem Fotodetektor und verarbeitet den Ausgang in einer gleichen Weise wie der erste Zähler, um ein identisches Aus gangs signal zu liefern. Eine dritte Zählerei.nrichtung ist ebenfalls mit dem Fotodetektor verbunden, um die vergangene Zeit in Form von Impulsen von der Zeitsteuerung pro Ereigniseinheit zu zählen (was wiederum in der vorzugsweisen Ausführungsform ein Zyklus ist). Der Ausgang von der Zählereinrichtung wird einem Verhältnisverstärker zugeführt, der den Eingang von dem zweiten Zähler mit einer Konstanten multipliziert, die gleich $ ist, und dieses Ergebnis durch das von der dritten Zählerein-

richtung angesammelte Signal dividiert. Der Ausgang von dem Verhältnis-Multiplikator wird dann einem Cosecant-Generator zugeführt, dessen Ausgang einem Akkumulator .zugeführt v/ird. Der Akkumulator-Ausgang ist der Ausgang des Systems, wobei der Ausgang normalerweise dem Führungssystem zugeführt wird und ein numerischer Ausgang ist, der gleich der tatsächlichen An-. zahl von Impulsen ist, die'gezählt worden wären, wenn das- Ring-Laser-Gyroskop vollständig linear ausserhalb der ursprünglichen Einschluß-Region ist.

Es ist dalier ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System für eine verbesserte Linearisierung eines Ring-Laser-Gyroskops zu schaffen.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und billiges System zur Linearisierung der Ausgangssignale eines Ring-Laser-Gyroskops zu schaffen.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus dor beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung des normalen -Ausganges eines

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Ring-Laser-Gyroskops und den korrigierten Ausgang des Gyroskops;

Fig. 2 eine Illustration eines Ring-Laser-Gyroskops des Stands der Technik}

Fig. 3 die vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung in Blockdiagramrnform; und

Fig. 4 eine Wellenform, die zum- Verständnis der Wirkungsweise der Ausführungsform der Fig. 3 nützlich ist.

Fig. 1 illustriert den normalen oder typischen Ausgang eines Ring-Laser-Gyroskops, als gestrichelte Kurve 7 dargestellt. Zwischen den Werten -^ undiX liegt die Zusammenschließfrequonz_s d.h. die Frequenz, bei der die zwei gegeneinander rotierenden Strahlen sich zusammenschließen und keine Rateninformation erhältlich ist. Wie zu erkennen ist, ist kurz danach ein Ausgang erhältlich, aber er ist für eine größere Distanz oberhalb und unterhalb der Zusammenschließraten nicht linear. Das erflindurigsgemäße System und Verfahren korrigiert den Ausgang des Ring-Laser-Gyroskops in derartiger V/eise, daß er der korrigierten Ausgangskurve 6 folgt. Das erfindungsgomäße System beseitigt nicht die Zusammenschließtechnik und dieses Phänomen ist immer noch bei Ring-Laser vorhanden, die das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren verwenden.

In Fig. 2 ist ein Ring-Laser-Gyroskop 12 der Dreiecksbauart gemäß dem Stand der Technik gezeigt, der ein Laser-Medium 23 besitzt zwei total reflektierende Spiegel 22 und einen teilreflektierende:-:) Spiegel 15. Im Betrieb erzeugt das Lasermedium 23 zwei gegensinnig rotierende Strahlen, die um den geschlossenen Weg reflektiert werden, der von den Spiegeln 22 und 11? gebildet wird. Der teilweise reflektierende Spiegel 15 ermöglicht einem Teil der gegeneinander rotierenden Strahlen den Austritt aus dem geschlossenen optischen Weg des Ring-Lasers. Einer der Strahlen, mit-14 bezeichnet, reflektiert sich von einem Spiegel 11 und iat auf ein strahlspaltci,·.···.■';

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Element 18 gerichtet.

Der andere entgegenrotierende Strahl 10 wird auf das strahlspaltende Element gerichtet und verbindet sich mit dem Strahl 14, um einen zusammengesetzten Strahl 13 zu bilden. Der Fotodetektor 1 nimmt diesen zusammengesetzten Strahl 13 auf,, bestimmt die Differenz zwischen den zwei Strahlen mit bezug auf ihre Phase und liefert ein Ausgangssignal, das proportional zum Sinus dieser Differenz ist. Das Ausgangs-Differenzsignal ist direkt proportional zu der Räte, mit der das Ring-Laser-Gyroskop gedreht wird. Bei der normalen Systemanwendung wird dieser Ausgang einem Führungssystem 21 zugeführt, das zur Führung von Fahrzeugen entlang einem vorgewählten Kurs benutzt wird. Die folgenden Patente illustrieren dies besondere Konzept in verschiedenen Formen: U.S.-Patente Nr. 3.320.850, 3.392.622, 3.395.270, 3.411.849, 3.473.031, 3.503.005, 3.545.866 und 3.512.890. ' . ·

Das herkömmliche Ring-Laser-Gyroskop erzeugt ein Wechselspannungssignal an einem Fotodetektor 1, der in dem Weg des kombinierten Strahls 13 angeordnet ist,, dessen Strom mit "I" bezeichnet ist und gleich dem Sinus ψ ist, wobei ip die Lösung der Differentialgleichung ■

ψ = Jl⁺ .ί\ Sinus (ψ-he )

■■ Ο )■"..·

ist, wobei Π. die Eingangsdrehungsrate des Instrumentes ist, und -CL^ die Einschließrate oder die Rate , unter der kein Ausgang wegen der Frequenzeinschließung der zwei gegeneinander rotierenden Strahlen erhalten wird. Der Wert ψ ist die momentane Phasendifferenz zwischen den zwei optischen Oszillatoren, gemessen an dem Detektor, wobei £ der Phasenwinkel zur Zeit T gleich Null ist. Die Darstellung des mittleren Wertes von *J> über Λ von dieser Gleichung ist in Fig. 1 als die normale Kurve 7 dargestellt. Es sei in Erinnerung gerufen, daß, wenn das Ring-Laser-Gyroskop in einem Trägheitsraum rotiert wird, . : die gegeneinander rotierenden Strahlen (allgemein als Oszillatoren

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bezeichnet) mit verschiedenen Frequenzen oszillieren. Dies bewirkt, daß sich das Kantenmuster (fringe pattern) über dem Fotodetektor umsetzt, was zu einer zyklischen Veränderung des Wechselsignals mit einer Rate führt, die gleich ist der Anzahl der Kanten pro Sekunde (fringes per second) die den Detektor passieren. Die Anzahl der Kanten (fringes) ist gleich dor Anzahl der Zyklen des Stromes pro Zeiteinheit, die abhängig sind von der Rotationsrate des Ring-Laser-Gyroskops. Bei einem typischen Führungssystem, das in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Signalstrom wechselstrommäßig mit dem Zähler verkoppelt, indem die Impulse für eine Zeitdauer angesammelt werden, die von deren Anforderungen des Führungssystems bestimmt werden. Jeder Impuls dort repräsentiert eine Winkelverschiebungsstufe.

In Fig. 3 ist in dem erfindungsgemäßen System das gleiche Laser-Gyroskop 12 verwendet, wobei die Ausgangsst.rahlen von dem teilweise übertragenden Spiegel 15 entlang den gleichen Wegen geführt werden. D.h., der Strahl 14 ist zum Spiegel 11 gerichtet und von dort zu dem strahlaufspaltenden Element 18. Eine Veränderung der Grundstruktur isb in der Weise vorgenommen, daß ein piezoelektrischer Antrieb 24, oder ein ähnlicher Antrieb, an die hintere Fläche des Spiegels 11 angebracht ist, so daß der Spiegel als eine Funktion eines elektrischen Signals angeordnet v/erden kann. Das gewünschte Resultat ist es, der Phase des Kantenmusters (fringe pattern) zu ermöglichen, mit Hilfe des Spiegels in der Art angepasst zu v/erden, daß das integrierte Fotodetektorsignal19 sich über einen Zyklus zu Null mittelt. In der Gleichung 1 bedeutet dies, daß der £ Ausdruck auf Null gebracht wird.

Der kombinierte Ausgangsstrahl 13 wird dem Fotodetektor 1 zugeführt. Der Ausgang des Fotodetektors ist der Strom I, dessen Phasenbeziehung durch die Gleichung 1 definiert wird. Dieser Strom I wird einem Integrator 2 zugeführt, ausserdem einem zweiten Zähler 7 und einem dritten Zähler 8. Der Integrator integriert das I-Signal und führt es dem ersten Zähler 3 zu.

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Das Signal von dem Integrator 2 ist dann äquivalent zu dem Kosinus ψ der Gleichung 2. Dieses Signal wird dann in dem B-Kanal eines gewöhnlichen Auf- Abzählers 3 eingeführt, der in der Betriebsart von Α-Funktion B pro vergangenes B arbeitet. Eine Hochfrequenz-Bezugs-Abgeberrate wird dem Α-Kanal des Zählers von dem Taktgeber 6 zugeführt. Die Wirkung des ersten Zählers ist wie folgt: Wenn'das Signal auf dem B-Kanal positiv ist, werden die Takt geber--Impulse von dem Taktgeber 6 in dem. Akkumulator im Zähler 3 addiert. Wenn das Eingangssignal an-B negativ ist, werden die Taktgeber-Impulse von dem Akkumulator subtrahiert. Am Ende des vollständigen Zyklus des Signals am Eingang B gibt der Akkumulator ein Signal an den Digital-Analog-Umsetzer 4 ab. Der Akkumulator wird dann auf Null zurückgestellt und beginnt von neiiora zu zählen. Die akkumulierten Zählungen zusammen mit ihrem Vorzeichen, positiv oder negativ, werden dann von dein Digital-Analog-Umsetzer weiterverarbeitet. Der Ausgang des Umsetzers k wird einem servostabilisiercnden Netzv.'crk 5 zugeführt, das die gewünschte Übertragungs-Funktion besitzt, um eine Servostab-ilität der Schleife oberhalb des Betriebsbereiches des Gyroskops aufrechtzuerhalten. Der Ausgang von dein Servo-Netzwerk 5 wird dann dem piezoelektrischen Antrieb 24 zugeführt, wodurch die Servosehleife mit der richtigen Phase geschlossen wird, um die Gröf3e des Fehlersignals 6 , das von dem Zähler abgeleitet wird, auf Null zu vermindern. Der zweite Zähler 7 ist ein Zähler, der identisch arbeitet wie der Zähler Der Zähler 7 erhält ein Kosinus φ Signal , sondern erhält das Signal direkt von dem Fotodetektor 1 vor der Integration. Der dritte Zähler 8 ist ein Zähler, der in der Betriebsart von Zeitimpulsen pro. vergangenes Ereignis arbeitet, d.h., die Anzahl der akkumulierten Zeitimpulse wird ausgegeben nach einem Zyklus eines Eingangs von dem Fotodetektor 1. Diese zwei akkumulierten Gesamtwerte werden dann einem Verhältnis-Multiplikator 9 zugeführt. Die Einheit 9 multipliziert den Eingang von dem Zähler' 7 mit einer Konstanten, die gleich. % ist, und dividiert das Ergebnis

"2

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durch das vom Zähler 8 akkumulierte Signal. Das sich aus diese]." Operation ergebende Ergebnis wird einem Cosecant-Generator 16 zugeführt, wobei der Ausgang des Cosectmt-Generators einem linearen Akkumulator 17 zugeführt wird. Der numerische Ausgang des Akkumulators 17 ist die tatsächliche Anzahl der Impulse, die gezählt worden ware , wenn das Gyroskop ausserhalb der Einschließregion perfekt arbeiten würde und ist im Effekt das korrigierte linearisierte Ausgangssignal. Der Akkumulator 17 wird dann an seinem Ausgang durch das Führungssystem 21 abgetastet, wenn die Information benötigt wird.

In Fig. 4 ist eine Aufzeichnung des Sinus ψ Signalteils des Fotodetektor-Ausganges (Signal 19) dazu gezeigt, und zwar für den Fall, daß der Durchschnitt des Kosinus ψ Teils über einen Zyklus gleich Null ist. Der Zähler 7 findet den Wert von T₁-T₂. Der Zähler 8 findet den Wert von T*+Tp. Der Ausgang des Akkumulators ist daher durch die Gleichung 2 definiert. Die Losung der Gleichung 1 für den Sinus ψ und infolgedessen der Fehler des tatsächlichen Eingangs im Verhältnis zürn tatsächlichen Ausgang ergibt diesen Wert (Gleichung 2) als die benötigte Korrektur größe für jeden Ausgangszyklus. Da die tatsächliche Eingangsrate auf die Einschließrate hin abnimmt, wird der Sinus ψ stärker und stärker verzerrt und die Fehlergröße wird größer. Der Korrektur!'aktor, der von dem beschriebenen System abgeleitet wird, wird groß, wodurch die Linearisierung des Gyroskops-Ausgangs bis hinab zum Einschließpunkt erfolgt.

Cosc t

2 φ ι φ

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Claims

Patentansprüche

Linearisierungssystem in Verbindung mit einem Ring-Laser-Gyroskop, der als Ausgang zwei gegeneinander rotierende Strahlen besitzt, gekennzeichnet durch Antriebsvorrichtungen, die in dem optischen Weg eines der Strahlen angeordnet sind, um den optischen Weg des Strahles als Antwort auf ein Steuersignal zu verändern; durch Verbindüngseinrichtungen zur Verbindung des anderen Strahls mit dem Strahl von der Antriebseinrichtung; durch Detektoreinrichtungen zum Umsetzen des kombinierten optischen Strahls zu einem elektrischen Signal; und durch Vergleichseinrichtungen, die das Signal von der Detektoreinrichtung aufnimmt und das Steuersignal zum Antrieb-der Antriebseinrichtung liefert, wobei, das Signal proportional ist zur symmetrischen Differenz des Signals für mindestens eine Zykluszeit, wobei das Steuersignal die Antriebseinrichtung aktiviert, um den optischen Weg des einen Strahls zu verändern, um die symmetrische Differenz auf Null zu reduzieren.-
2. Linearisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung aus einem Spiegel und aus einem piezoelektrischen Antrieb besteht, der an der Rückseite des

. Spiegels angebracht ist, wobei der Spiegel so angeordnet ist, daß er einen "Strahl zu der Kombinationseinrichtung ablenkt.
3. Linearisierungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch' Taktgebereinrichtungen, die eine ununterbrochene Folge von . Impulsen an die Vergleicheeinrichtung abgibt, um diese mit dem empfangenen Signal zu vergleichen, so daß die symmetrische

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Differenz zwischen dem aufgenommenen Signal als eine entsprechende Anzahl von Impiilsen erscheint.
4. Linearisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtungen einen Integrator zur Integration der kombinierten Strahlen von der Kombinierungseinrichtung enthält.
5. Linearisierungssystem in Verbindung mit einem Ring-Laser-Gyroskop, der als Ausgang zwei gegeneinander rotierende Strahlen besitzt, gekennzeichnet durch Antriebseinrichtungen, die in dem optischen Weg des einen der Strahlen angeordnet sind, urn die Weglänge des Strahls zu verändern; durch Kombinationseinrichtungen zur Kombination des Strahls von der Antriebseinrichtung mit dem anderen gegenrotierenden Strahl; durch Einrichtungen zur Umsetzung der kombinierten Strahlen zu einem proportionalen elektrischen Signal; und durch Einrichtungen zur Aufnahme des proportionalen elektrischen Signals und zur Schaffung eines Steuersignals für die Antriebseinrichtungen, wobei das Signal proportional zur Nichtsymmetrie des proportionalen elektrischen Signals ist, so daß die Antriebseinrichtung die optische Weglänge des einen Strahls so verändert, daß das proportionale elektrische Signal symmetrisch wird.
6. Lihearisierungssystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Taktgebereinrichtung zur Schaffung einer ununterbrochenen Folge von Impulsen; eine Zähleinrichtung zur Aufnahme an einem Eingangsanschluß die ununterbrochene Impulsfolge und an einem anderen Eingangsanschluß das proportionale elektrische Signal, wobei die Zähleinrichtung eine akkumulierte Zählung der. Impulse liefert, die gleich ist der Zeitdiffcrvnz zwischen alternierenden Halbzyklon des proportionalen elektrischen

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Signals; durch eine andere Zähleinrichtung zur Aufnahme von einem Anschluß die ununterbrochene Folge von Impulsen und an einem anderen Eingangsanschluß der proportionalen elektrischen Signale, wobei die andere Zähleinrichtung ein akkumuliertes Signal liefert, das proportional ist zur Anzahl der Impulse, die während eines Zyklussss des proportionalen elektrischen Signals auftreten; durch andere Einrichtungen zur Multiplikation der akkumulierten Impulse von den Zähleinrichtungen mit; einem konstanten Wert, der gleich T ist, und zum Dividieren des

Produktes durch das akkumulierte Signal von der anderen Zähleinrichtung, um ein Ausgangssignal zu schaffen; durch Cösacanteinrichtungen zur· Aufnahme des Ausgangssignals von der Ein-, richtung zum Multiplizieren zur Bildung des Cosecanten davon; und durch Akkumulatoreinrichtungen zur Akkumulation des Ausganges der Cosecanteinrichtungen und zur Schaffung des akkumulierten Signals als ein erhältliches Ausgangssignal, das proportinal ist zur Winkeldrehung des Ring-Laser-Gyroskops.

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