DE2218397C3 - Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser - Google Patents

Description

nis mix einem konstanten Wert, der gleich -? ist, bereich* kompensiert ..._.. _.

⁶ 2 ' Damit wird erreicht, daß der Ringlaser-Drehge-

multipliziert; durch einen der Multiplikator-Ein- schwindigkeitsmesser (im folgenden kurz als Ringrichtung (9) nachgeschalteten Arkuskosinus- laser bezeichnet) bis herab zu einer Frequenz verGenerator (16), der vom Ausgangssignal 50 wendbar ist, bei der schließlich vollständiges Mitziehen auftritt. Der Meßbereich des Ringlasers wird

⁷¹ IT-UH.T*\ wesentlich erweitert, und auch noch sehr kleine Dreh-

2 \ T₁ + T₃) richtungs- und Drehgeschwindigkeitsabweichungen

können genau gemessen werden.

der Multiplikator-Einrichtung (9) den Arkus- 55 Zur besseren Auswertung weist eine Weiterbildung kosinus bildet; und durch den dem Arkuskosinus- der Erfindung einen Taktgeber auf, der mit der Generator (16) nachgeschalteten Akkumulator Vergleichseinrichtung derart verbunden ist, daß die (17) zur Akkumulation des Signals Unsymmetrie des Detektorsignals als eine entspre

chende Anzahl von Impulsen erscheint.

arc cos [ ^π / ^ri ~ ^r* Yj 60 Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung

[ 2 \ T₁ + T₂ /J enthält die Vergleichseinrichtung vorteilhafterweise

einen Integrator für die Signale aus dem Detektor.

und zur Abgabe eines Ausgangssignals, das pro- Eine noch andere günstige Ausführungsform der portional zur Winkeldrehung des Ringlasers (12) Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das ist. 65 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-Diiferenzsignal ist direkt proporeiner Anzahl (T₁ - T₂) bzw. (T₁ + T₂) von Impulsen tional zu der Drehgeschwindigkeit, mit der der Ringabgeben, weiterhin ist eine Multiplikatoreinrichtung laser gedreht wird. Bei 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 _c , . .. . . „, , . . , π einem vorgewählten Kurs benutzt wird. Es sei dazu Ergebms mit einem konstanten Wert, der gleich _{y auf die us}£ __Patente 3 ₃₂₀ 850, 3 392 622, 3 395 270,

ist, multipliziert; außerdem ist ein der Multiplikator- 3 411 849, 3 473 031, 3 503 005, 3 545 866 und

Einrichtung nachgeschalteter Arkuskosinus-Genera- 3 512 890 verwiesen.

tor vorgesehen, der vom Ausgangssignal 10 Der bekannte Ringlaser erzeugt ein Wechselspan-

j· _ T \ nungssignal an einem Fotodetektor 1, der in dem

Weg des kombinierten Strahls 13 angeordnet ist, des-

2 XT₁-T T₂ J _sen strom mit / 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 + Ω,8ίη(Ψ + _ε) (1)

ί / ητ* rp \

— j -^ — 1 ist, wobei Ω die zu messende Drehgeschwindigkeit ist,

2 \ T₁ + T_t j _{20 un}d q_l dig Mitzieh-Geschwindigkeit oder die Ge-

und zur Abgabe eines Ausgangssignals, das propor- schwindigkeit, unter der kein Ausgang 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

F i g. 1 eine grafische Darstellung des normalen as optischen Oszillatoren, gemessen an dem Detektor, Ausgangs eines Ringlasers und dessen korrigierten wobei ε 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

F i g. 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 Frequenlich 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 —Ü_L und Q_L 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 F i g. 2 gezeigt ist, wird der unterhalb des Mitziehbereichs nicht linear. Die Erfin- Signalstrom wechselstrommäßig mit dem Zähler gedung korrigiert den Ausgang des Ringlasers derartig, koppelt, indem die Impulse während einer Zeitdauer daß er der korrigierten Ausgangskurve 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 Fig. 3 wird in dem erfindungsgemäßen System

In Fig. 2 ist ein bekannter Ringlaser 12 der Drei- der gleiche Ringlasci 12 verwendet, wobei die Ausecksbauart gezeigt, der einen Laser 23, zwei total gangsstrahlen von dem teilweise durchlässigen Spiegel

reflektierende Spiegel 22 und einen teil reflektieren- 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 wer-

spaltendes Element 18 gerichtet. Jo den, daß das integrierte Fotodetektorsignal 19 sich

Der andere entgegengesetzt rotierende Strahl 10 über eine Periode zu Null mittelt. In derGleiehungl bewird auf das strahlspaltende Element gerichtet und deutet dies, daß der Ausdruck ε auf Null gebracht wird, verbindet sich mit dem Strahl 14, um einen zusam- Der kombinierte Ausgangsstrahl 13 wird dem Foto-

mengesetzten 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-Impulse 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 au 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, posiiiv oder negativ, werden dann vom Digital-Analog-Wandler weiterverarbeitet. Der Ausgang des Wandlers 4 wird einem Servo-Netzwerk S zugeführt, das die gewünschte Übertragungs-Funktion besitzt, um eine Servostabilität der Schleife oberhalb des Betriebsbereiches des Ringlasers aufrechtzuerhalten. Der Ausgang vom Servo-Netzwerk S 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 Zähler3. Der Zähler7 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 von dem Zähler 7 mit einer Konstanten, die gleich 4J-

ist, und dividiert das Ergebnis durch das vom Zähler 8 akkumulierte Signal. Das sich aus dieser Operation ergebende Ergebnis wird einem Arccos-Generator 16 zugeführt, wobei der Ausgang dieses Generators

ίο einem linearen Akkumulator 17 zugeführt wird. Der numerische Ausgang des Akkumulators 17 ist die tatsächliche Anzahl der Impulse, die gezählt worden wäre, wenn der Ringlaser außerhalb des Mitziehbereichs ideal arbeiten würde, und ist damit das korrigierte linearisierte Ausgangssignal. Der Akkumulator 17 wird dann an seinem Ausgang durch das Führungssystem 21 abgetastet, wenn die Information benötigt wird.
In F i g. 4 ist eine Darstellung des Sinus-!P-Signal-

ao teils des Fotodetektor-Ausganges (Signal 19) gezeigt, und zwar für den Fall, daß der Mittelwert des Kosinus-!^-Signal-Teils über eine Periode gleich Null ist. Der Zähler 7 ermittelt den Wert von T₁-T₃ und der Zähler 8 den Wert von T₁+ T_a. Der Ausgang des Akkumulators ist daher durch diese Rechenvorschrift 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 Korrekturfaktor arc cos γ (y wird entsprechend größer und führt damit zu einer Linearisierung des Ringlasers bis hinab zum Mitziehpunkt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Die Erfindung betrifft einen Ringlaser-Drehge- Patentansprüche: schwindigkeitsmesser mit zwei gegeneinander rotierenden Strahlen und mit einer von einem Regelkreis

1. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit gesteuerten Vorrichtung zur Veränderung des optizwei gegeneinander rotierenden Strahlen und mit 5 sehen Weges des einen Strahles, mit einer Strahlkomeiner von einem Regelkreis gesteuerten Vorrich- binationseinrichtung zum Vereinigen der gegeneintung zur Veränderung des optischen Weges des ander rotierenden Strahlen und mit einem Detektor einen Strahles, mit einer Strahlkombinationsein- zum Umsetzen der kombinierten Strahlen zu einem richtung zum Vereinigen der gegeneinander rotie- elektrischen Signal.

renden Strahlen und mit einem Detektor zum io Aus der deutschen Patentschrift 1288 346 ist ein

Umsetzen der kombinierten Strahlen zu einem Ringlaser zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit

elektrischen Signal, gekennzeichnetdurch und Drehrichtung bekannt, bei dem mittels einer im

Vergleichseinrichtungen (2, 3, 4, 5, 6), die mit Strahlenweg angeordneten Einrichtung der optische

dem Ausgang des Detektors (1) verbunden sind Weg der beiden gegensinnig verlaufenden Strahlen

und ein Regclsignal abgeben, das proportional ist 15 um einen festen Weit unterschiedlich gemacht wird,

zur Unsymmetrie des Detektorsignals, gemessen Aus der deutschen Offenlegungsschrift ist ein

während einer Periode, und die ausgangsseitig Ringlaser bekannt, bei dem mittels einer piezoelek-

derart mit der Vorrichtung (24,11) zur Verände- irischen Keramikzelle, die einem Spiegel zugeordnet

rung des optischen Weges verbunden sind, daß ist, der optische Weg eines der beiden Strahlen ver-

die Unsymmetrie beseitigt wird, und durch ein ao änderlich ist. Die KeramikzeHe wird von einem

dem Detektor (1) nachgeschaltetes Rechenwerk Regelkreis gesteuert.

(6, 7, 8, 9, 16, 17), das die Mitzieh-Nichtlineari- Beiden Systemen haftet der Nachteil des »Mitzie-

tät in der Nähe des Mitziehbereichs kompensiert. hens« an: Die Frequenzen der beiden gegeneinander-

2. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach laufenden Strahlen ziehen sich dabei zu einer einzi-Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Takt- 25 gen Frequenz zusammen, wenn die Differenzfrequenz geber (6), der mit der Vergleichseinrichtung (3) unter einen bestimmten Wert abfällt. Damit sind am derart verbunden ist, daß die Unsymmetrie des Ausgang keinerlei Winkeldifferenz-Informationen Detektorsignals als eine entsprechende Anzahl mehr erhältlich. Ein damit zusammenhängendes Provon Impulsen erscheint. blem liegt darin, daß gerade oberhalb dieser Grenz-

3. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach 30 frequenz ein nichtlinearer Bereich entsteht, so daß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Gyroskops ohne entsprechende die Vergleichseinrichtung einen Integrator (2) für Korrektur nicht verwendbar ist.

die Signale aus dem Detektor (1) enthält. Aufgabe der Erfindung ist es, den Ausgang des

4. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser nach Gyroskops in der Nähe des Mitziehbereichs auf einden Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, 35 fache Weise zu linearisieren.

daß das Rechenwerk einen Differenzzähler (7) Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch

und einen Summenzähler (8) aufweist, die jeweils Vergleichseinrichtungen, die mit dem Ausgang des

mit dem Taktgeber (6) und mit dem Detektor (1) Detektors verbunden sind und ein Regelsignal ab-

eingangsseitig verbunden sind und die Zeitdiffe- geben, das proportional ist zur Unsymmetrie des

renz bzw. Zeitsumme von alternierenden Halb- 40 Detektorsignals, gemessen während einer Periode,

Perioden des Detektorsignals in Form einer An- und die ausgangsseitig derart mit der Vorrichtung

zahl (T₁-T₂) bzw. (T₁-I-T₂) von Impulsen ab- zu·- Veränderung des optischen Weges verbunden

geben; durch eine Multiplikatoreinrichtung (9), sind, daß die Unsymmetrie beseitigt wird, und durch

die das Signal des Differenz-Zählers (7) durch das ein dem Detektor nachgeschaltetes Rechenwerk, das

des Summen-Zählers (8) dividiert und das Ergeb- 45 die Mitzieh-Nichtlinearität in der Näht des Mitzieh-