DE3431608A1

DE3431608A1 - Zweiachsiger winkelgeschwindigkeitsfuehler

Info

Publication number: DE3431608A1
Application number: DE19843431608
Authority: DE
Inventors: Rex B. Woodinville Wash. Peters
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Data Control Inc
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-08-28
Publication date: 1985-04-04
Also published as: ZA846114B; IT1179221B; IL72541A0; AU2997284A; US4512192A; IL72541A; FR2551553A1; HK20487A; NL8402553A; SE8404317L; CH661596A5; GB2145825A; GB2145825B; JPS6073362A; GB8422025D0; AU552197B2; IT8448739A0; SE8404317D0; BE900482A; NO843471L

Description

Sundstrand Data Control, Ine Redmond, Washington 98o52 V.St.A.

Zweiachsiger Winkelgeschwindigkeitsfühler

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit und geradlinigen Bewegungsänderung eines Körpers mittels vibrierender Beschleunigungsmesser, wobei jeweils zwei Beschleunigungsmesser zur Erfassung der Winkelgeschwindigkeit und geradlinigen Bewegung in be_vzug auf mindestens zwei Achsen dienen.

Die US-Patentanmeldung Ser. No. 357 714 und ein im Mai 1981 durch Technion Israel Institute of Technology veröffentlichter Artikel' von Shmuel J. Merhav mit dem Titel "A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit" offenbaren jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des spezifischen Kraftvektors und des Winkelgeschwindigkeitsvektors

eines bewegten Körpers mittels mehrerer zyklisch, angetriebener Beschleunigungsmesser. Die US-Patentanmeldungen mit den Ser. No. 357 715 und 528 776 offenbaren Techniken zur Messung des spezifischen Kraftvektors zur Ermittlung der geradlinigen Beschleunigung und des Winkelgeschwindigkeit svektors eines bewegten Körpers entweder mittels eines einzigen oder mittels zweier Beschleunigungsmesser, die mit konstanter Frequenz vibrieren.

Für gewisse Anwendungsfälle, wie billige Trägheitsbezugssysteme ist eine Verringerung der Komplexität und die Anzahl empfindlicher Elemente solcher Systeme gefordert. In den dreiachsigen Trägheitsbezugssystemen, die in den oben genannten US-Patentanmeldungen beschrieben sind, braucht man entweder drei oder sechs in drei getrennten Richtungen vibrierende Beschleunigungsmesser. Die in den US-Patentanmeldungen Ser. No. 357 715 und 528 776 offenbarten mechanischen Systeme benötigen einen Antriebsmechanismus entweder für jeweils einen oder jeweils zwei Beschleunigungsmesser in drei verschiedenerijaufeinander senkrecht stehenden Richtungen, was ein ziemlich komplexes und teures mechanisches Antriebssystem erfordert.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Zweiachsen-Winkelgeschwindigkeitsmeßsystem zu ermöglichen, das zwei Beschleunigungsmesser enthält, deren kraftempfindliche Achsen einen Winkel von 90 einschließen und die jeweils längs einer auf der kraftempfindlichen Achse senkrecht stehenden Richtung vibrieren. Ein Dreiachsen-Winkelgeschwindigkeits- und Kraftfühler soll durch Kombination zweier solcher vibrierender Sätze von Beschleunigungsmessern ermöglicht werden, deren Vibrationsrichtungen jeweils senkrecht zueinander sind.

Ein Winkelgeschwindigkeits- und Kraftfühler, der die obige Aufgabe löst, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Beschleunigungsmesser mit jeweils einer ersten und zweiten kraftempfindlichen Achse, eine Vibrationseinrichtung, die dem ersten und zweiten Beschleunigungsmesser eine Vibrationsbewegung längs einer Vibrationsachse erteilt, eine Ausrichteinheit, die den ersten Beschleunigungsmesser mit der Vibrationseinrichtung so verbindet, daß die kraftempfindliche Achse des ersten Beschleunigungsmessers auf der Vibrationsachse senkrecht steht und den zweiten Beschleunigungsmesser mit der Vibrationseinrichtung so verbindet, daß die kraft empfindliche Achse des zweiten Beschleu-* nigungsmessers senkrecht auf der Vibrationsachse und der kraftempfindlichen Achse des ersten Beschleunigungsmessers steht. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Signalverarbeitungseinrichtung auf, die aus dem Ausgangssignal des ersten Beschleunigungsmessers ein erstes Geschwindigkeitssignal erzeugt, das die Winkeldrehung des ersten Beschleunigungsmessers um die kraftempfindliche Achse des zweiten Beschleunigungsmessers und ein zweites Geschwindigkeitssignal aus dem Ausgangssignal des zweiten Beschleunigungsmessers erzeugt, das die Winkeldrehung des zweiten Beschleunigungsmessers um eine Achse parallel zur kraftempfindlichen Achse des ersten Beschleunigungsmessers darstellt.

Eine weitere Vorrichtung zur Messung der translatorischen und Kreisbewegung eines eine erste, zweite und dritte Achse, die jeweils aufeinander senkrecht stehen,aufweisenden Körpers, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist: einen ersten und zweiten Beschleunigungsmesser jeweils mit kraftempfindlichen Achsen, einen ersten Vibrationsmechanismus, der dem ersten und zweiten Beschleunigungsmesser eine Vibrationsbewegung in Richtung der zweiten Achse erteilt,

einen ersten Ausrichtmechanismus, der den ersten und zweiten Beschleunigungsmesser am ersten Vibrationsmechanismus so befestigt, daß die kraftempfindliche Achse des ersten Beschleunigungsmessers mit der ersten Achse und die kraftempfindliche Achse des zweiten Beschleunigungsmessers mit der dritten Achse ausgerichtet sind, einen dritten und vierten Beschleunigungsmesser jeweils mit kraftempfindlichen Achsen, einen zweiten Vibrationsmechanismus, der dem dritten und vierten Beschleunigungsmesser eine Vibrationsbewegung in Richtung der dritten Achse erteilt , einen zweiten Ausrichtmechanismus, der den dritten und vierten Beschleunigungsmesser so befestigt, daß die kraftempfindliche Achse des dritten Beschleunigungsmessers in Richtung der ersten Achse geht und daß die kraftempfindliche Achse des vierten Beschleunigungsmessers in Richtung der zweiten Achse geht, und eine Signalverarbeitungseinrichtung, die aus den Ausgangssignalen der Beschleunigungsmesser Geschwindigkeitssignale erzeugt, die eine Kreisbewegung des Körpers jeweils um die erste, zweite und dritte Achse darstellen und Signale erzeugt, die eine geradlinige Bewegungsänderung des Körpers in Richtung der ersten, zweiten und dritten Achse darstellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in Form eines Diagramms eine Prinzipdarstellung eines dreiachsigen Geschwindigkeitsund Kraftfühlers, der zwei vibrierende Beschleunigungsmessersätze aufweist,

Fig. 2 im Schnitt einen Vibrationsmechanismus, der zwei Beschleunigungsmessern eine Vibrationsbewegung in einer einzigen Richtung erteilt, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung, die die Beschleunigungsmessersignale jeweils in Winkelgeschwindigkeit und Kraftsignale umsetzt.

Fig. 1 zeigt in Diagrammform das erfindungsgemäße Konzept, wobei vier Beschleunigungsmesser,die in zwei Richtungen vibrieren, ein dreiachsiges Winkelgeschwindigkeits- und Kraftmeßsystem darstellen. Z. B. vibrieren zwei Beschleunigungsmesser 10 und 12 auf der X-Achse. Die kraftempfindliche Achse A des ersten Beschleunigungsmessers 10 weist in Richtung der Z-Achse,die auf der Vibrationsachse X senkrecht steht. Die kraftempfindliche Achse A des zweiten Beschleunigungsmessers 12 ist parallel zur Y-Achse und steht auf der kraftempfindlichen Achse A des Beschleunigungsmessers 10 und auf der Vibrationsachse X senkrecht. Das Ausgangssignal a_z des Beschleunigungsmessers 10 enthält Komponenten, die einerseits die translatorische Bewegung des durch die Achsen Z, X, Y dargestellten Bezugssystems längs der Z-Achse angeben als auch Komponenten, die die Drehung des Bezugsrahmens um die Y-Achse darstellen, wie dies durch-O gekennzeichnet ist. Genau so enthält das Ausgangssignal a des Beschleunigungsmessers 12 Komponenten, die die translatorisehe Bewegung längs der Y-Achse des Bezugsrahmens darstellen, als auch Komponenten, die durch Coriolis-Kräfte erzeugt werden und die durch SX „ gekennzeichnete Rotation des Beschleunigungsmessers 12 um die Z-Achse darstellen.

Fig. 1 und die obige Beschreibung zeigen, daß sich mittels zweier Beschleunigungsmesser, die entlang einer gemeinsamen Achse vibrieren, zwei Winkelgeschwindigkeitssi'gnale und zwei Kraftsignale erzeugen lassen, die die translatorische Bewegung

des die Beschleunigungsmesser enthaltenden Körpers darstellen.

Fig. 1 zeigt außerdem, daß durch das Hinzufügen zweier weiterer Beschleunigungsmesser 14- und 16 ein Dreiachsenträgheitsbezugssystem aufgebaut werden kann. Die Beschleunigungsmesser 14· und 16 werden in Richtung der Y-Achse vibriert und ihre kraftempfindlichen Achsen A₂. und A stehen senkrecht zur Vibrationsachse Y und sind gegeneinander um 90 gedreht. Der Beschleunigungsmesser 14· erzeugt ein weiteres a -Signal das wie im Falle des Beschleunigungsmessers 12 Komponenten enthält, die die translatorische Bewegung des Körpers in Richtung der Z-Achse und die Rotation _Cl um die X-Achse darstellen. Der Beschleunigungsmesser vervollständigt das Dreiachsenträgheitsbezugssignal und gibt ein Signal a aus, das Komponenten aufweist, die die translatorische Bewegung des Körpers längs der Z-Achse und die

Zj

Rotationsbewegung jCL _ um die Z-Achse darstellen.

Fig. 2 zeigt eine Baugruppe, die die vibrierenden gepaarten Beschleunigungsmesser gemäß Fig. 1 realisiert. Die in Fig. dargestellte Stimmgabelbaugruppe kann jedem der in Fig. 1 dargestellten Beschleunigungsmesserpaare eine Vibrationsbewegung erteilen. Die Baugruppe weist ein Zylindergehäuse 18 auf, in dem eine Stimmgabel 20 mit zwei Zinken 20a und 20b befestigt ist. Die Zinken 20a und 20b ragen parallel zur Z-Achse und liegen damit senkrecht zur Vibrationsachse X. Die Stimmgabel 20 ist innerhalb des Gehäuses 18 auf einem Sockel 22 an einem Mittelsteg 20c befestigt. Die oben genannten Patentanmeldungen mit der Ser. No. 357 715 und 528 776 offenbaren diese allgemeine Anordnung zur Vibration zweier Beschleunigungsmesser.

Das Gehäuse 18 enthält auch einen weiteren Sockel 24, der zum Sockel 22 ausgerichtet von diesem jedoch beabstandet ist. Der Sockel 24- ist ferner vom Mittelsteg 20c der Stimmgabel 20 beabstandet. Der Sockel 24- trägt auf einer Seite einen Permanentmagneten 26, der mit einer Antriebsspule 28 zusammenwirkt und auf der anderen Seite einen Permanentmagneten 30, der mit einer Aufnehmerspule 32 zusammenwirkt. Die zwei Permanentmagnete 26 und 30 haben eine zylindrische Form und weisen zylindrische Luftspalte auf, in denen die jeweiligen Spulen 28 und 32 angeordnet sind. Jede Spule 28 und 32 ist auf einer zylindrischen Hülse 34- und 36 aufgebracht, die ihrerseits an der Innenseite der zwei Zinken 20b und 20a befestigt sind.

An der Außenfläche des Zinkens 20b der Stimmgabel 20 ist mittels einer Befestigung 38 der Beschleunigungsmesser 10 der Pig. 1 befestigt, dessen kraftempfindliche Achse A„ in die dargestellte Richtung weist. Genauso ist an der Außenfläche des Zinkens 20a der Stimmgabel 20 der andere Beschleunigungsmesser 12 befestigt, dessen kraftempfindliche Achse A so gerichtet ist, daß sie sowohl zur Richtung der Bewegung der Stimmgabel als auch zur kraftempfindlichen Achse A des Beschleunigungsmessers 10 senkrecht steht.

Die Darstellung der Pig. 2 zeigt, daß die Stimmgabel 20 die Beschleunigungsmesser 10 und 12 synchron jedoch in entgegengesetzten Richtungen bewegt, wenn sie mit ihrer Resonanzfrequenz schwingt. Als Ergebnis wirkt weder auf das Gehäuse 18, noch auf den (nicht gezeigten) Trägeraufbau,an dem die Beschleunigungsmesserbaugruppe,die im Gehäuse 18 enthalten ist, befestigt ist, eine resultierende Kraft ein. Die Trägerstruktur, die in Pig. 1 symbolisch durch die X, Y und Z-Achse gekennzeichnet ist, ist bei einem untergeschnallten

Trägheitsbezugssystem der bewegte Körper selbst oder der innere kardanisch^ Bügel einer kardanisch stabil aufgehängten Trägheitsplattform.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer zur Signaltrennung des Kraftsignals vom Geschwindigkeit ssignal zweier vibrierender Beschleunigungsmesser, wie die Beschleunigungsmesser 10 und 12 in Fig. 1 und 2. Das Prinzip der Signalverarbeitung ist dasselbe, wie es in der bereits genannten US-Patentanmeldung Ser. No. 357 714- und dem Merhav Artikel offenbart ist. Gemäß Fig. 3 erzeugt ein Steuerimpulsgenerator 40 eine Impulsfolge als Funktion der Winkelfrequenz co ,mit der die Beschleunigungsmesser 10 und 12 vibrieren. Die Impulse auf der Leitung 42 werden einem Treibersignalgenerator 44 eingespeist, der einen Antriebsmechanismus, wie die Stimmgabel 20 in Fig. 2 antreibt, damit die Beschleunigungsmesser 10 und 12 mit der Frequenz CJ und kleiner Amplitude vibrieren.

Das Ausgangssignal a des Beschleunigungsmessers 10 wird über eine Leitung 46 einem Kraftkanal 48 und einem Winkelgeschwindigkeit skanal 50 eingespeist. Die Winkelgeschwindigkeitskanalschaltung 50 erzeugt das Geschwindigkeitssignal SL- , indem sie das a -Signal mit einer zur Frequenz CJ periodischen Funktion, deren Mittelwert Null ist, multipliziert und das Ergebnis über die Zeitdauer T, die ein Zyklus der Frequenz o> ist integriert. Der Steuerimpulsgenerator 40 erzeugt ein Impulssignal, das eine Funktion der Zeitdauer T ist auf einer Leitung 52, das dem Winkelgeschwindigkeitskanal 50 und dem Kraftkanal 48 eingegeben wird. Der Kraftkanal integriert das a_z-Signal über die Zeitdauer T und erzeugt auf einer Ausgangsleitung 56 ein Signal 1 , das die translatorische Bewegung des die Beschleunigungsmesser 10 und

enthaltenden Aufbaus entlang der Z-Achse von Fig. 1 darstellt.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung weist außerdem einen Kraftkanal 58 und einen Winkelgeschwindigkeitskanal 60 auf, die das Ausgangssignal a des Beschleunigungsmessers 12, das auf einer Leitung 62 zugeführt wird, verarbeiten und auf einer Leitung 64 ein Kraftsignal F und ein Geschwindigkeitssignal -Tl auf einer Ausgangsleitung 66 abgibt.

- Leerseite -

Claims

Patentansprüche

einen ersten Beschleunigungsmesser (10) mit einer ersten kraftempfindlichen Achse (A_),

einen zweiten Beschleunigungsmesser (12) mit einer zweiten kraftempfindlichen Achse (A ), eine Vibrations einrichtung (20, 34, 36, 44), die den ersten und zweiten Beschleunigungsmesser (10, 12) in Richtung einer Vibrationsachse (X) vibrieren läßt, eine Ausrichteinheit (38), mit der die Befestigung des ersten Beschleunigungsmessers (10) an der Vibrationseinrichtung (20b) so ausrichtbar ist, daß die erste kraftempfindliche Achse (A_n,) senkrecht zur Vibrationsachse (X) steht und mit der die Befestigung des zweiten Beschleunigungsmessers (12) an der Vibrationseinrichtung (20a) so ausrichtbar ist, daß die zweite kraftempfindliche Achse (Ay) senkrecht auf der Vibrationsachse (X) und der ersten kraftempfindlichen Achse (A ) steht, und

eine Verarbeitungseinrichtung, die aus dem Ausgangssignal des ersten Beschleunigungsmessers ein erstes Geschwindigkeitssignal ableitet, das die Winkeldrehung des ersten Beschleunigungsmessers um eine erste Achse angibt, die

572-B 01828-AtWa

zur kraftempfindlichen Achse (A ) des zweiten Beschleunigungsmessers (12) parallel liegt und aus dem Ausgangssignal des zweiten Beschleunigungsmessers (12) ein zweites Geschwindigkeitssignal ableitet, das die Winkeldrehung des zweiten Beschleunigungsmessers (12) um eine zweite Achse darstellt, die zur kraftempfindlichen Achse (A ) des ersten Beschleunigungsmessers (10) parallel ist.
2. Winkelgeschwindigkeitsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verarbeitungseinrichtung außerdem eine Einrichtung aufweist, die aus dem Ausgangssignal des ersten Beschleunigungsmessers (10) ein erstes Kraftsignal ableitet, das die Geschwindigkeitsänderung des ersten und zweiten Beschleunigungsmessers in Richtung der ersten kraftempfindlichen Achse (A_z) angibt und aus dem Ausgangssignal des zweiten Beschleunigungsmessers (12) ein zweites Kraftsignal ableitet, das die Geschwindigkeitsänderung des ersten und zweiten Beschleunigungsmessers (10, 12) in Richtung der zweiten kraftempfindlichen Achse (A ) darstellt.
3. Winkelgeschwindigkeitsfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vibrationseinrichtung dem ersten und zweiten Beschleunigungsmesser (10, 12) eine Vibrationsbewegung mit konstanter Frequenz und mit entgegengesetzter Phase in Richtung der Vibrationsachse (X) erteilt.
4-. Vorrichtung zur Messung translatorischer Geschwindigkeitsänderungen und von Drehbewegungen eines Körpers mit einer ersten, zweiten und dritten Achse (Z, X, Y), die jeweils senkrecht aufeinander stehen,

gekennzeichnet durch einen ersten Beschleunigungsmesser (10) mit einer ersten kraftempfindlichen Achse (A₂),

einen zweiten Beschleunigungsmesser (12) mit einer zweiten kraftempfindlichen Achse (A ),

eine erste Vibrationseinrichtung, die dem ersten und zweiten Beschleunigungsmesser (10, 12) eine Vibrationsbewegung in Richtung der zweiten Achse (X) erteilt, eine erste Ausrichteinheit, die den ersten und zweiten Beschleunigungsmesser (10, 12) an der ersten Vibrationseinrichtung so befestigt, daß die erste kraftempfindliche

Achse (A ) in Richtung der ersten Achse (Z) und daß die ζ

zweite kraftempfindliche Achse (A ) in Richtung der dritten Achse (Y) ausgerichtet ist, einen dritten Beschleunigungsmesser (14-) mit einer dritten kraftempfindlichen Achse(A₂), einen vierten Beschleunigungsmesser (16) mit einer vierten kraftempfindlichen Achse (A ), eine zweite Vibrationseinrichtung, die dem dritten und vierten Beschleunigungsmesser (14-, 16) eine Vibrationsbewegung in Richtung der dritten Achse (Y) erteilt, eine zweite Ausrichteinheit, durch die der dritte und vierte Beschleunigungsmesser (14-, 16) an der zweiten Vibrationseinrichtung so befestigt ist, daß die dritte kraftempfindliche Achse (A₂) in Richtung der ersten Achse (Z) und die vierte kraftempfindliche Achse (A ) in Rieh- ' tung der zweiten Achse (X) ausgerichtet sind, und eine Signalverarbeitungseinrichtung, die mit dem ersten bis vierten Beschleunigungsmesser (10, 12, 14-, 16) verbunden ist und aus deren Ausgangssignale Geschwindigkeitssignale (/I₂, -Ώ·_χϊ -O_) erzeugt, die jeweils die Drehbewegung des Körpers um die erste, zweite und dritte Achse (Z, X, Y) angeben und Kraftsignale (F , F , F ) erzeugt,

die die translatorische Geschwindigkeitsänderung des Körpers jeweils in Richtung der ersten, zweiten und dritten Achse (Z, X, Y) angeben.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Signalverarbeitungseinrichtung aufweist: eine erste Einrichtung (50), die aus dem Ausgangssignal (a„) des ersten Beschleunigungsmessers (10) ein erstes Geschwindigkeitssignal (_Q. ) bildet, das die Winkelgeschwindigkeit des Körpers bei Drehung um die dritte Achse (Y) darstellt,

eine Einrichtung (60), die aus dem Ausgangssignal (a ) des zweiten Beschleunigungsmessers (12) ein zweites Geschwindigkeitssignal CO._Z) bildet, das die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Körpers um die erste Achse (Z) darstellt, und

eine Einrichtung, die aus dem Ausgangssignal des dritten Beschleunigungsmessers (14) ein drittes Geschwindigkeitssignal (_Q ) bildet, das die Winkelgeschwindigkeit des Körpers bei Drehung um die zweite Achse (X) darstellt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5»
dadurch gekennzeichnet,

daß die Signalverarbeitungseinrichtung zusätzlich eine Einrichtung aufweist, die aus dem Ausgangssignal (a ) des vierten Beschleunigungsmessers (16) ein viertes Geschwindigkeitssignal bildet, das die Winkelgeschwindigkeit des Körpers bei Drehung um die erste Achse (Z) darstellt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5»
dadurch gekennzeichnet,

daß die Signalverarbeitungseinrichtung weiterhin aufweist:

eine Einrichtung (48), die aus dem Ausgangs signal (a_)-des ersten Beschleunigungsmessers (10) ein erstes Kraftsignal (F ) bildet, das die translatorische Geschwindigkeitsänderung des Körpers in Richtung der ersten Achse (Z) darstellt,

eine Einrichtung (58), die aus dem Ausgangssignal (a ) des zweiten Beschleunigungsmessers (12) ein zweites Kraftsignal (F ) bildet, das die translatorische Geschwindigkeitsänderung des Körpers in Richtung der dritten Achse (Y) darstellt,

eine Einrichtung, die aus dem Ausgangssignal (a_) des dritten Beschleunigungsmessers (14) ein drittes Kraftsignal (F₁,) bildet, das die translatorische Geschwindigkeitsänderung des Körpers in Richtung der ersten Achse (Z) darstellt, und

eine Einrichtung, die aus dem Ausgangssignal (a) des vierten Beschleunigungsmessers (16) ein viertes Kraftsignal (F ) bildet, das die translatorische Geschwindigkeitsänderung des Körpers in Richtung der zweiten Achse (X) darstellt.