DE3431615A1

DE3431615A1 - Winkelgeschwindigkeitsfuehler mit parallelen, vibrierenden beschleunigungsmessern

Info

Publication number: DE3431615A1
Application number: DE19843431615
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: 1985-03-21
Also published as: FR2557978B1; AU2896484A; IT8448741A0; GB2145824A; IL72542A0; CH661358A5; NO843472L; GB8422024D0; JPS6066110A; IL72542A; ZA846116B; AU554302B2; SE8404319L; HK20387A; NL8402552A; SE8404319D0; CA1215245A; FR2557978A1; BE900483A; GB2145824B

Description

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

Winkelgeschwindigkeitsfühler mit parallelen, vibrierenden Beschleunigungsmessern

Die Erfindung betrifft Winkelgeschwindigkeitsfühler mit bewegten Beschleunigungsmessern und insbesondere solche mit vibrierenden gepaarten Beschleunigungsmessern. In der US-Anmeldung Ser. No. 357 714- ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des spezifischen Kraftvektors und des Winkelgeschwindigkeitsvektors eines bewegten Körpers mittels mehrerer zyklisch angetriebener Beschleunigungsmesser offenbart. Die US-Patentanmeldung Ser. No. 357 offenbart ähnliche Techniken zur Messung des spezifischen Kraftvektors und des Winkelgeschwindigkeitsvektors eines bewegten Körpers entweder mit einem einzigen oder einem Paar von Winkelgeschwindigkeitsmessern, die mit konstanter Frequenz vibrieren. Im Falle der gepaarten Beschleunigungs-

messer sind deren Massen bezüglich translatorischer senkrecht aufeinander stehender Richtungen' ausgeglichen. Das bedeutet, daß die in einem Befestigungsrahmen angebrachten Beschleunigungsmesser keine Vibrationsbewegung des Massenmittelpunktes verursachen. Die in den oben genannten US-Patentanmeldungen offenbarten Beschleunigungsmesserkonstruktionen erzeugen jedoch Drehvibrationen, die auf jede mit ihnen verbundene Masse um den Massenmittelpunkt einwirken.

Es ist jedoch in vielen Systemen, wie in Trägheitsnavigationssystemen wichtig, jede Vibration, die das System beeinträchtigen könnte,zu vermeiden, sei sie linear oder eine Drehvibration. Insbesondere iäb es bei solchen Trägheitsnavigationssystemen wichtig,das Einwirken eines Fühlers auf die Punktion anderer Fühler des Navigationssystems zu verringern.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Kraft- und Winkelgeschwindigkeitsfühler mit zwei gepaarten vibrierenden Beschleunigungsmessern zu ermöglichen, der so aufgebaut ist, daß die von der Vibration der Beschleunigungsmesser herrührenden Drehmomente im wesentlichen beseitigt sind.

Die obige Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

In Lösung der obigen Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist: einen ersten und zweiten Beschleunigungsmesser, einen Körper, der die Beschleunigungsmesser nebeneinander so haltert, daß ihre kraftempfindlichen Achsen parallel liegen, einen Vibrationsmechanismus, der die Beschleunigungsmesser einzeln im wesentlichen geradlinig in Richtung einer zu den kraftempfindlichen Achsen der Beschleunigungsmesser senkrecht stehenden Richtung mit einer Frequenz CJ vibrieren läßt und

eine Signalverarbeitungseinrichtung, die aus den Ausgangssignalen der Beschleunigungsmesser ein Geschwindigkeitssignal erzeugt, das die Kreisbewegung des Körpers um eine Achse darstellt, die auf der durch die kraftempfindlichen Achsen und die Vibrationsachsen gebildeten Ebene senkrecht steht. Eine vorteilhafte Weiterbildung davon ist dadurch gekennzeichnet, daß der die Beschleunigungsmesser enthaltende Körper aufweist: ein Gehäuse, eine sich innerhalb des Gehäuses drehende Welle, ein erstes Trägerglied, an dem der erste Beschleunigungsmesser befestigt ist, ein erstes Biegeelement, das das erste Trägerglied am Gehäuse so haltert, daß der erste Beschleunigungsmesser im wesentlichen linear in einer Richtung senkrecht zur Achse der Welle zur Welle hin und von der Welle weg vibrieren kann, ein zweites Trägerglied, an dem der zweite Beschleunigungsmesser befestigt ist, ein zweites Biegeelement, das das. zweite Trägerglied am Gehäuse so befestigt, daß der zweite Beschleunigungsmesser im wesentlichen linear in einer Richtung senkrecht zur Achse der Welle zur Welle hin und von der Welle weg vibrieren kann, einen Mechanismus, der der Welle eine Drehvibration erteilt und einen Gelenkmechanismus, der mit der Welle und dem ersten und zweiten Trägerglied verbunden ist, damit die Beschleunigungsmesser in den durch die Biegeelemente vorgegebenen Richtungen vibrieren können.

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

Pig. 1 ein Prinzipdiagramm eines nebeneinander angeordneten Beschleunigungsmesserpaars, dessen kraftempfindliche Achsen parallel ausgerichtet sind,

Fig, 2 eine Vorderansicht des konstruktiven Auf-

baus des die zwei gepaarten Beschleunigungsmesser von Fig. 1 enthaltenden Winkelgeschwindigkeitsfühlers,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Aufbaus von Fig. 2, und

Fig. 4- ein Blockschaltbild einer analogen Signalverarbeitungsschaltung für das Beschleunigungsmesserpaar.

Gemäß Fig. 1 ist ein Paar von Beschleunigungsmessern 10 und 12 nebeneinander angeordnet, so daß ihre kraftempfind-

1 2

liehen Achsen A' und A„ in dieselbe Richtung weisen. Um

ζ ζ

ein Massenungleichgewicht sowie ein Drehmomentungleichgewicht, die auf eine Halterung übertragen würden,zu vermeiden, werden die Beschleunigungsmesser 10 und 12 in entgegengesetzten Richtungen zueinander und voneinander weg in Richtung der Achsen 14 und 16, die auf den kraftempfindlichen

1 2

Achsen A' und A senkrecht stehen, vibriert. Die zuvor genannten US-Patentanmeldungen beschreiben im Detail, wie aus den von den Beschleunigungsmessern 10 und 12 abgegebenen Signalen Signale erzeugt werden können, die jeweils die translatorische Geschwindigkeitsänderung sowie die Winkelgeschwindigkeit des die zwei Beschleunigungsmesser 10 und 12 enthaltenden Körpers darstellen.

In den Fig. 2 und 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines mechanischen Aufbaus, der die zwei Beschleunigungsmesser gemäß Fig. 1 trägt, dargestellt. Dieser Mechanismus bewirkt eine im wesentlichen lineare Vibrationsbewegung der Beschleunigungsmesser 10 und 12 in Richtung der Achsen 14·

lind 16. Dazu weist der Mechanismus zwei Trägerglieder 18 und 20 auf, die jeweils die Beschleunigungsmesser 10 und 12 haltern. Die Trägerglieder 18 und 20 wiederum sind an einem Gehäuse 22 mittels zweier Biegeelemente 24 und 26 befestigt. Eine Welle 28, die drehbar innerhalb des Gehäuses 22 mittels zweier Lager 30 und $2 angebracht ist, trägt ein Gelenkglied 34. Das Gelenkglied 34· trägt zwei Gelenkstifte 36 und 38, die in Schlitze 40 und 42 ragen, die in den Trägergliedern 18 und 20 vorgesehen sind.

Die Welle 28 trägt einen Rotor 44, der zusammen mit einem am Gehäuse 22 befestigten Ständer 46 der Welle eine Vibrationsbewegung mit kleiner Amplitude und einer Frequenz cj erteilt. Aus den Fig. 2 und 3 ist deutlich ersichtlich, daß die Vibration der Welle 28 von den Gelenkstiften 36 und 38 herrührt, die die Trägerglieder 18 und 20 und damit die Beschleunigungsmesser 10 und 12 zu einer Bewegung senkrecht zur Wellenachse in entgegengesetzter Vibrationsphase zwingen. Da sich die Beschleunigungsmesser 10 und 12 nur um einekleine Wegstrecke bewegen, ist ihre Bewegungsrichtung bezüglich der Achse der Welle 28 nahezu linear. Kapazitive Aufnehmer 48 liefern Signale, die die Drehbewegung der Welle 28 der Beschleunigungsmesser 10 und 12 darstellen. Dieses Signal ermöglicht eine Rückkopplung, die den Antrieb der Welle 28 zeitlich konstant hält.

Fig. 4 zeigt eine Signalverarbeitungseinrichtung, ein Kraftsignal Ϊ und ein Winkelgeschwindigkeitssignal -fl aus den Aus-

1 2
gangssignalen a„ und a„ der Beschleunigungsmesser 10 und erzeugt. Ein Steuerimpulsgenerator 50 gibt auf einer Leitung 52 Signale ab, die eine Punktion der Frequenz co sind und zur Ansteuerung eines Antriebssignalgenerators 54 zur Vibration der Beschleunigungsmesser 10 und 12 mit der Fre-

quenz tu verwendet werden. Die Ausgangs signale a_z und a_z der Beschleunigungsmesser 10 und 12 werden jeweils durch Leitungen 56 vcd. 58 zu einer Vorabtrennverarbeitungsschaltung 60 übertragen. Die Vorabtrennverarbeitungsschaltung 60 ist für gepaarte Beschleunigungsmesser geeignet, die wie in Fig. 1 gleichgerichtete parallele kraftempfindliche Achsen haben. Ein Summierglied 62 und ein Differenzglied 64- der Vorabtrennverarbeitungsschaltung 60 geben jeweils auf Leitungen 70 und 72 Signale ab, die einerseits nur noch die spezifische Kraftkomponente und andererseits nur noch die Winkelgeschwindigkeitskomponente enthalten. Diese Signale werden jeweils Skalierverstärkern 66 und 68 zugeführt.

Das Signalverarbeitungsprinzip ist dasselbe, wie es in der US-Patentanmeldung Ser. No. 357 715 offenbart ist, wobei, die kombinierten Signale des Verstärkers 66 über eine Leitung 74- einem Kraft kanal 76 zugeführt werden. Der Kr aft kanal 76 enthält eine Integrierschaltung und eine Abtast- und Halteschaltung, die jeweils Signale vom Steuerimpulsgenerator über Leitungen 78 und 80 für die Integration und den Abtast- und Haltevorgang empfangen. Die über die Leitung 74- dem Kraftkanal zugeführten Signale werden über die Periodendauer T der Frequenz (^j integriert, woraus dann die Abtast- und Halteschaltung ein Kraftsignal P auf einer Leitung 82 abgibt, das die Geschwindigkeitsänderung in Richtung der Z-Achse des Korpers oder des Gehäuses 22, das die Beschleunigungsmesser 10 und 12 trägt, darstellt.

Genauso empfängt ein Winkelgeschwindigkeitskanal 84 das vom Skalierverstärker 68 über die Leitung 86 abgegebene Signal, das mit einer periodischen Punktion sgncoscüt,deren Mittelwert Null ist,multipliziert wird(sgn = Signum).Wie beim Kraftkanal wird das sich ergebende Signal über die Periodendauer T durch

eine Abtast- und Halteschaltung integriert und auf einer Ausgangsleitung 88 als Signal-O.j_ abgegeben, das eine Winkelgeschwindigkeitsinformation darstellt und über einen Tiefpaßfilter 90 geleitet wird, wonach es auf einer Leitung 92 als Signal SIq abgegeben wird.

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Claims

Pat entansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung eines Winkelgeschwindigkeitssignals eines Körpers,
gekennzeichnet durch einen ersten Beschleunigungsmesser (10) mit einer ersten kraftempfindlichen Achse (A„), der ein die Beschleunigung

in Richtung dieser Achse darstellendes erstes Ausgangs-/\

signal (a') abgibt,
ζ

einen zweiten Beschleunigungsmesser (12) mit einer zweiten kraftempfindlichen Achse (A„), der ein zweites Ausgangssignal (a ) abgibt, das die Beschleunigung in Richtung der zweiten kraftempfindlichen Achse darstellt, Halterungen (18, 20), die jeweils den ersten und zweiten Beschleunigungsmesser (10, 12) nebeneinander so haltern,

1 2 daß die kraftempfindlichen Achsen (A', A₁₇) parallel sind, eine Vibrationseinrichtung (28, 30, 32 ..., 46), die mit dem Körper und der Halterung verbunden ist und den ersten und zweiten Beschleunigungsmesser (10, 12) in entgegengesetzten Richtungen senkrecht zu den kraftempfindlichen

1 2
Achsen (A. A„) mit einer Frequenz GJ vibrieren läßt, und eine Signalverarbeitungseinrichtung, die aus dem ersten und zweiten Ausgangssignal (a', a„) des ersten und zweiten Beschleunigungsmessers (10, 12) ein die V/inkelgeschwindigkeit des Körpers um eine Achse, die auf der durch die

572-B 01829-AtWa

kraftempfindlichen Achsen und die Vibrationsachse gebildeten Ebene senkrecht steht, darstellendes Geschwindigkeit ssignal erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

1 2 daß die erste und zweite kraftempfindliche Achse (A . A„) parallel jedoch entgegengesetzt gerichtet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

1 2

daß die erste und zweite kraftempfindliche Achse (A , A )

ζ ζ

parallel und gleichgerichtet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Halterungen (18, 20) an einem Gehäuse (22) jeweils mittels eines ersten und zweiten Biegeelements (24, 26) befestigt sind, so daß der erste Beschleunigungsmesser (10) eine im wesentlichen lineare Vibrationsbewegung in Richtung senkrecht zu seiner kraftempfindlichen

Achse (A') ausführt und daß der zweite Beschleunigungsz

messer (12) eine im wesentlichen lineare Vibrationsbe-

wegung senkrecht zu seiner kraftempfindlichen Achse (A ) ausführt, und daß

die Vibrationseinrichtung (28, 50, 32, ..., 48) aufweist:

eine in Lagern (30, 32) innerhalb des Gehäuses (22) drehbar gelagerte Welle (28),

einen Vibrationsantrieb (44, 45), der die Welle (28)

dreht, und
• einen Gelenkmechanismus (34, 36, 38, 40, 42) der mit der Welle (28) und dem ersten und zweiten Trägerglied (18, 20) verbunden ist und durch die Drehung der Welle

(28) dem ersten und zweiten Beschleunigungsmesser (10, 12) eine Vibrationsbewegung senkrecht zur Achse der Welle (28) erteilt, die durch die Lage der Biegeelemente (24, 26) gegeben ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Vibrationsantrieb einen aus einem an der Welle (28) befestigten Rotor (44) und einem am Gehäuse (22) befestigten Stator bestehenden Elektromotor aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Gelenkeinrichtung erste und zweite Gelenkglieder (36, 38) aufweist, die an der Welle (28) befestigt sind und jeweils in das erste und zweite Trägerglied (18, 20) eingreifen.