DE2218397B2 - Ringlaser Drehgeschwmdigkeits messer - Google Patents

Description

T₁ -T₂

T,+ T₂

der Multiplikator-Einrichtung (9) den Arkuskosinus bildet; und durch den dem Arkuskosinus-Generator (16) nachgeschalteten Akkumulator (17) zur Akkumulation des Signals

arc cos | —
2

T₁- T₂

—

T₁ + Γ_β

und zur Abgabe eines Ausgangssignals, das proportional zur Winkcldrehung des Ringlasers (12) ist.

Die Erfindung betrifft einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit zwei gegeneinander rotierenden Strahlen und mit einer von einem Regelkreis gesteuerten Vorrichtung zur Veränderung des optisehen Weges des einen Strahles, mit einer Strahlkombinationseinrichtung zum Vereinigen der gegeneinander rotierenden Strahlen und mit einem Detektor zum Umsetzen der kombinierten Strahlen zu einem elektrischen Signal.

ίο Aus der deutschen Patentschrift 1 288 346 ist ein Ringlaser zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung bekannt, bei dem mittels einer im Strahlen weg angeordneten Einrichtung der optische Weg der beiden gegensinnig verlaufenden Strahlen

um einen festen Wert unterschiedlich gemacht wird. Aus der deutschen Offenlegungsschrift ist ein Ringlaser bekannt, bei dem mittels einer piezoelektrischen Keramikzelle, die einem Spiegel zugeordnet ist, der optische Weg eines der beiden Strahlen veränderlich ist. Die Keramikzelle wird von einem Regelkreis gesteuert.

Beiden Systemen haftet der Nachteil des »Mitziehens« an: Die Frequenzen der beiden gegeneinanderlaufenden Strahlen ziehen sich dabei zu einer einzigen Frequenz zusammen, wenn die Differenzfrequenz unter einen bestimmten Wert abfällt. Damit sind am Ausgang keinerlei Winkeldifferenz-Informationen mehr erhältlich. Ein damit zusammenhängendes Problem liegt darin, daß gerade oberhalb dieser Grenzfrequenz ein nichtlinearer Bereich entsteht, so daß der Ausgang des Gyroskops ohne entsprechende Korrektur nicht verwendbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Ausgang des Gyroskops in der Nähe des Mitziehbereichs auf einfache Weise zu linearisieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Vergleichseinrichtungen, die mit dem Ausgang des Detektors verbunden sind und ein Regelsignal abgeben, das proportional ist zur Unsymmetrie des Detektorsignals, gemessen während einer Periode, und die ausgangsseitig derart mit der Vorrichtung zur Veränderung des optischen Weges verbunden sind, daß die Unsymmetrie beseitigt wird, und durch ein dem Detektor nacugeschaltetes Rechenwerk, das die Mitzieh-Nichtünearität in der Nähe des Mitziehbereichs kompensiert.

Damit wird erreicht, daß der Ringlaser-Dreheoschwindigkeitsmesser (im folgenden kurz als Ringlaser bezeichnet) bis herab zu einer Frequenz verwendbar ist. bei der schließlich vollständiges Mitziehen auftritt. Der Meßbereich des Ringlasers wird wesentlich erweitert, und auch noch sehr kleine Drehrichtungs- und Drehgeschwindigkeitsabweichungen können genau gemessen werden.

Zur besseren Auswertung weist eine Weiterbildung der Erfindung einen Taktgeber auf, der mit der Vergleichseinrichtung derart verbunden ist, daß die Unsymmetrie des Detektorsignals als eine entsprechende Anzahl von Impulsen erscheint.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung enthält die Vergleichseinrichtung vorteilhafterweise einen Integrator für die Signale aus dem Detektor.

Eine noch andere günstige Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk einen Differenzzähler und einen Summenzähler aufweist, die jeweils mit dem Taktgeber und mit dem Detektor eingangsseitig verbunden sind und die Zeitdifferenz bzw. Zeitsumme von alternie-

renden Halbperioden des Detektorsignals in Form ist. Das Ausgangs-Differenzsignal ist direkt proporeiner Anzahl (T₁-J₂) bzw. (T₁+ T₂) von Impulsen tional zu der Drehgeschwindigkeit, mit der der Ringabgeben, weiterhin ist eine Multiplikatoreinrichtung laser gedreht wird. Be: der normalen Anwendung vorgesehen, die das Signal des Differenz-Zählers wird dieser Ausgang einem Führungssystem 21 zugedurch das des Summen-Zählers dividiert und das 5 führt, das zur Führung von Fahrzeugen entlang Ergebnis mit einem konstanten Wert, der gleich ~ ^ein _f ^eni vorgewählten Kurs benutet wra^Es sei^dazu

ist, multipliziert; außerdem ist ein der Multiplikator- 3 411849, 3 473 031, 3 503 005, 3 545 866 und

Einrichtung nachgeschalteter Arkuskosinus-Genera- 3 512 890 verwiesen.

tor vorgesehen, der vom Ausgangssignal io Der bekannte Ringlaser erzeugt ein Wechselspan-

P₁ — j", \ nungssignal an einem Fotodetektor 1, der in dem

Weg des kombinierten Strahls 13 angeordnet ist, des-

- \^Ji-rlo] _sen strom _mj_t / bezeichnet ist und gleich dem

der Multiplikator-Einrichtung den Arkuskosinus bil- Sinus Ψ ist, wobei ψ die Lösung der Differentialglei-

det, und weiterhin ein dem Arkuskosinus-Generator 15 chung
nachgeschalteten Akkumulator zur Akkumulation des

Signals Ψ = Ω + Q_L sin (Ψ + ε) (1)

arc cos -- ( ' —Lj _{ist wobei Q} die zu messende Drehgeschwindigkeit ist,

[2 \ V₁-Tr₂/] _{20 unc}j Q₁ die Mitzieh-Geschwindigkeit oder die Ge-

und iur Abgabe eines Ausgangs,signals, das propor- schwindigkeit, unter der kein *\usgang wegen der

tional zur Winkeldrehung des Ringlasers ist. Frequenzsynchronisation der zwei gegeneinander

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungs- rotierenden Strahlen erhalten wird. Der Wert Ψ ist

beispiels näher erläutert. Es zeigt die momentane Phasendifferenz zwischen den zwei

Fig. 1 eine grafische Darstellung des normalen 25 optischen Oszillatoren, gemessen an dem Detektor.

Ausgangs eines Pinglasers und dessen korrigierten wobei _f der Phasenwinkel zur Zeit T gleich Null ist.

Ausgang, Die Darstellung des mittleren Wertes von Ψ über Ω

F i g. 2 einen bekannten Ringlaser, von dieser Gleichung ist in F i g. 1 als die normale

Fig. 3 die vorzugsweise Ausführungsform der Er- Kurve 7 dargestellt. Es sei in Erinnerung gerufen,

findung als Blockschaltbild und 30 daß, wenn der Ringlaser im Raum rotiert wird, die

F i g. 4 eine Kurve, die zum Verständnis der Wir- gegeneinander rotierenden Strahlen (allgemein als

kungsweise der Ausführungsform der F i g. 3 nütz- Oszillatoren bezeichnet) auf verschiedenen Frcquen-

lich ist. zen schwingen. Dies bewirkt, daß sich das Beugungs-

F i g. 1 zeigt den normalen oder typischen Ausgang muster über dem Fotodetektor bewegt, was zu einem

eines Ringlasers als gestrichelte Kurve 7. Zwischen 35 Wechselsignal mit einer Frequenz führt, die gleich ist

den Werten — Q_L und Ω, liegt die Mitziehfrequenz, der Anzahl der Beugungsstreifen, die den Detektor

d. h. die Frequenz, bei der die zwei gegeneinander pro Sekunde passieren. Die Anzahl der Streifen ist

rotierenden Strahlen sich synchronisieren und keine gleich der Anzahl der Perioden des Stromes pro

Drehgeschwindigkeitsinformation erhältlich ist. Wie Zeiteinheit, die abhängig sind von der Rotations-

zu erkennen ist, ist kurz danach ein Ausgang erhält- 40 geschwindigkeit des Ringlasers. Bei einem typischen

lieh, aber er ist für eine größere Distanz oberhalb und Führungssystem, das in Fig. 2 gezeigt ist, wird der

unterhalb des Mitziehbereichs nicht linear. Die Erfin- Signalstrom wechselstrommäßig mit dem Zähler ge-

dung korrigiert den Ausgang des Ringlasers derartig, koppelt, indem die Impulse wahrend einer Zeitdauer

daß er der korrigierten Ausgangslcurve 6 folgt. Die angesammelt werden, die von den Anforderungen

Erfindung beseitigt nicht das Mitziehen an sich, und 45 des Führungssystems bestimmt werden. Jeder Impuls

dieses Phänomen ist auch noch beim erfindungsge- dort repräsentiert einen Winkelverschiebungsschritt,

mäßen Ringlaser vorhanden. In F i g. 3 wird in dem erfindungsgemäßen System

In F i g. 2 ist ein bekannter Ringlaser 12 der Drei- der gleiche Ringlaser 12 verwendet, wobei die Ausecksbauart gezeigt, der einen Laser 23, zwei total gangsstrahlen von dem teilweise durchlässigen Spiegel reflektierende Spiegel 22 und einen teilreflektieren- 50 15 entlang den gleichen Wegen geführt werden. Das den Spiegel 15 besitzt. Im Betrieb erzeugt der Laser heißt, der Strahl 14 ist zum Spiegel 11 gerichtet und 23 zwei gegensinnig rotierende Strahlen, die um den von dort zu dem strahlteilenden Element 18. Eine geschlossenen Weg reflektiert werden, der von den Veränderung der Grundanordnung ist derart vorge-Spiegeln 22 und 15 gebildet wird. Der teilweise re- nommen, daß ein piezoelektrischer oder ähnlicher flektierende Spiegel 15 ermöglicht einem Teil der 55 Antrieb 24 an der hinteren Fläche des Spiegels 11 angegeneinander rotierenden Strahlen den. Austritt aus gebracht ist, so daß die Stellung des Spiegels in Abdem geschlossenen optischen Weg des Ringlasers. hängigkeit von einem elektrischen Signal verändert Einer der Strahlen, mit 14 bezeichnet, wird von werden kann. Somit kann die Phase des Beugungseinem Spiegel 11 reflektiert und ist auf ein strahl- musters mit Hilfe des Spiegels derart angepaßt werspallendes Element 18 gerichtet. 60 den, daß das integrierte Fotodetektorsignal 19 sich

Der andere entgegengesetzt rotierende Strahl 10 über eine Periode zu Null mittelt. In der Gleichung 1 bewird auf das strahlspaltende Element gerichtet und deutet dies, daß der Ausdruck? auf Null gebracht wird, verbindet sich mit dem Strahl 14, um einen ?usam- Der kombinierte Ausgangsstrahl 13 wird dem Fotomengesetzten Strahl 13 zu bilden. Der Fotodetek- detektor 1 zugeführt. Der Ausgang des Fotodetektors tor 1 nimmt diesen zusammengesetzten Strahl 13 auf. 65 ist der Strom /, dessen Phasenbeziehung durch die bestimmt die Differenz zwischen den zwei Strahlen Gleichung 1 definiert wird. Dieser Strom / wird einem mit Bezug auf ihre Phase und liefert ein Ausgangs- Integrator 2 zugeführt, außerdem einem zweiten Zähsignal, das proportional zum Sinus dieser Differenz ler 7 und einem dritten Zähler 8. Der Integrator inte-

griert das /-Signal und führt es dem ersten Zähler 3 zu. 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 üblichen Vor-Rückwärtszählers 3 eingeführt, der in der Betriebsart »A-Funktion B pro vergangenes B« arbeitet. Eine Hochfrequenz-Bezugs-Frequenz 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 Taktgeber-Irnpulse von dem Taktgeber 6 im Akkumulator des Zählers 3 addiert. Wenn das Eingangssignal an B negativ ist, werden die Taktgeber-Impulse vom Akkumulator subtrahiert. Am Ende der vollständigen Periode des Signals am Eingang B gibt der Akkumulator ein Signal an den Digital-Analog-Wandler 4 ab. Der Akkumulator wird dann auf Null zurückgestellt und beginnt von neuem zu zählen. Die akkumulierten Zählungen zusammen mit ihrem Vorzeichen, positiv oder negativ, werden dann vom Digital-Analog-Wandler weiterverarbeitet. Der Ausgang des Wandlers 4 wird einem Servo-Netzwerk 5 zugeführt, das die gewünschte Übertragungs-Funktion besitzt, um eine Servostabilität der Schleife oberhalb des Betriebsbereiches des Ringlasers aufrechtzuerhalten. Der Ausgang vom Servo-Netzwerk 5 wird dann dem piezoelektrischen Antrieb 24 zugeführt, wodurch die Servoschleife mit der richtigen Phase geschlossen wird, um die Größe des Fehlersignals ε, das von dem Zähler abgeleitet wird, auf Null zu vermindern. Der zweite Zähler 7 ist ein Zähler, der identisch arbeitet wie der Zähler 3. Der Zähler 7 erhält kein Kosinus-Ψ-Signal, sondern erhält das Signal direkt von dem Fotodetektor 1 vor der Integration. Der dritte Zähler 8 ist ein Zähler, der in der Betriebsart »Zeitimpulse pro vergangenes Ereignis« arbeitet, d. h., die Anzahl der akkumulierten Zeitimpulse wird ausgegeben nach einer Periode eines Eingangs vom Fotodetektor 1. Diese zwei akkumulierten Gesamtwerte werden dann einem Verhältnis-Multiplikator 9 zugeführt. Die Einheit 9 multipliziert den Eingang vor

dem Zähler 7 mit einer Konstanten, die gleich —

ist, und dividiert das Ergebnis durch das vom Zähler ΐ akkumulierte Signal Das sich aus dieser Operatior ergebende Ergebnis wird einem Arccos-Generator Ii zugeführt, wobei der Ausgang dieses Generators

ίο einem linearen Akkumulator 17 zugeführt wird. Dei numerische Ausgang des Akkumulators 17 ist die tatsächliche Anzahl der Impulse, die gezählt worder wäre, wenn der Ringlaser außerhalb des Mitziehbereichs ideal arbeiten würde, und ist damit das korrigierte linearisierte Ausgangssignal. Der Akkumulatoi 17 wird dann an seinem Ausgang durch das Führungssystem 21 abgetastet, wenn die Information benötigt wird.

In Fig. 4 ist eine Darstellung des Sinus-'V'-Signalteils des Fotodetektor-Ausganges (Signal 19) gezeigt und zwar für den Fall, daß der Mittelwert des Kosinus-V-Signal-Teils über eine Periode gleich Null ist. Der Zähler 7 ermittelt den Wert von T₁ — T., und d d

₁
der Zähler 8 den Wert von T₁+ T₂. Der Ausgang de;

Akkumulators ist daher durch diese Rechenvorschrifi definiert. Die Lösung der Gleichung 1 für den Sinus Ψ und infolgedessen der Fehler des tatsächlichen Eingangs im Verhältnis zum tatsächlichen Ausgang ergibt diesen Wert als die benötigte Korrekturgröße für jede Ausgangsperiode. Da die tatsächliche Eingangs-Winkelgeschwindigkeit auf die Mitzieh-Winkelgeschwindigkeit hin abnimmt, wird der Sinus Ψ stärker und stärker verzerrt, und der Fehler wird größer. Der vom beschriebenen System gebildete Korrekrurfaktor arc cos -2-

ι —T₁
T₁ +

wird entsprechend größei

und führt damit zu einer Linearisierung des Ringlasers bis hinab zum Mitziehpunkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit zwei gegeneinander rotierenden Strahlen und mit einer von einem Regelkreis gesteuerten Vorrichtung zur Veränderung des optischen Weges des einen Strahles, mit einer Strahlkombinationseinrichtung zum Vereinigen der gegeneinander rotierenden Strahlen und mit einem Detektor zum Umsetzen der kombinierten Strahlen zu einem elektrischen Signal, gekennzeichnetdurch Vergleichseinrichtungen (2, 3, 4, 5, 6), die mit dem Ausgang des Detektors (1) verbunden sind und ein Regelsignal abgeben, das proportional ist zur Unsymmetrie des Detektorsignals, gemessen während einer Periode, und die ausgangsseitig derart mit der Vorrichtung (24, 11) zur Veränderung des optischen Weges verbunden sind, daß die Unsymmetrie beseitigt wird, und durch ein dem Detektor (1) nachgeschaltetes Rechenwerk (6, 7, 8, 9, 16, 17), das die Mitzieh-Nichtlinearität in der Nähe des Mitziehbereichs kompensiert.

2. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Taktgeber (6), der mit der Vergleichseinrichtung (3) derart verbunden ist, daß die Unsymmetrie des Detektorsignals als eine entsprechende Anzahl von Impulsen erscheint.

3. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung einen Integrator (2) für die Signale aus dem Detektor (1) enthält.

4. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk einen Differenzzähier (7) und einen Summenzähler (8) aufweist, die jeweils mit dem Taktgeber (6) und mit dem Detektor (1) eingangsseitig verbunden sind und die Zeitdifferenz bzw. Zeitsumme von alternierenden Halbperioden des Detektorsignals in Form einer Anzahl (T₁-T₂) bzw. (F₁+ 7,) von Impulsen abgeben; durch eine Multiplikatoreinrichtung (9), die das Signal des Differenz-Zählers (7) durch das des Summen-Zählers (8) dividiert und das Ergebnis mit einem konstanten Wert, der gleich ~- ist,

multipliziert; durch einen der Multiplikator-Einrichtung (9) nachgeschalteten Arkuskosinus-Generator (16), der vom Ausgangssignal