DE3432150A1

DE3432150A1 - Vorrichtung zur messung der spezifischen traegheitskraft und der winkelgeschwindigkeit eines bewegten koerpers und beschleunigungsmesseranordnungen hierfuer

Info

Publication number: DE3432150A1
Application number: DE3432150A
Authority: DE
Inventors: Shmuel J. Haifa Merhav
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1985-04-04
Also published as: ZA846287B; JPS60143713A; CH663671A5; GB2149504A; NL8402663A; GB8422026D0; IT8448786A0; FR2551554A1; FR2551554B1; SE8404321L; BE900486A; AU3249184A; NO843479L; SE8404321D0; IL72691A; CA1227067A; GB2149504B; DE3432150C2; HK64587A; AU555437B2

Description

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

Vorrichtung zur Messung der spezifischen Trägheitskraft und der Winkelgeschwindigkeit eines bewegten Körpers und Beschleunigungsmesseranordnungen hierfür

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der spezifischen Trägheitskraft und der Winkelgeschwindigkeit eines sich bewegenden Körpers durch mehrere Beschleunigungsmesser, die an zueinander senkrechten Achsen befestigt sind. Die Erfindung ist von besonderem Nutzen bei einer Vorrichtung und einem Verfahren für eine hochgenaue nichtgyroskopische Trägheitsmeßeinheit (IMU) für ein Trägheitsnavigationssystem (INS), wie es beschrieben ist in der US-Patentanmeldung Serial No. 357 714 vom 3.12.1982 und im Artikel von Shmuel J. Merhav "A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit", in AIAA J. of Guidance and Control, Mai/Juni,1982, Seiten 227 - 235. Die Erfindung ist daher im Hinblick auf eine derartige Anwendung beschrieben.

Die obige Patentanmeldung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des spezifischen Kraftvektors und des Winkelgeschwindigkeitsvektors eines sich bewegenden

572-B01764/Te(CM)Al

Körpers mittels mehrere periodisch angetriebener Beschleunigungsmesser. Die dort beschriebene Ausführungsform verwendet rotierende Beschleunigungsmesser, die bereits 1965 vorgeschlagen wurden, jedoch noch nicht praktisch ausgereift waren, wie in dieser Patentanmeldung besprochen. Diese Patentanmeldung ist insbesondere auf eine neuartige Art der Verarbeitung der Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser gerichtet zur Ableitung der Komponenten des spezifischen Kraftvektors F_ und des Winkelgeschwindigkeitsvektors Λ derart, daß die unerwünschten Komponenten auf ein ausreichend niedriges Niveau herabgesetzt werden, so daß sie mit den Präzisionserfordernissen eines INS-Systems verträglich sind. Die Winkelgeschwindigkeitsvektor-Komponenten von -Λ (d.h.λ., wobei i = x, y, z) werden von jedem der Beschleunigungsmesser-Ausgangssignale (a) abgeleitet durch: (1) Multiplizieren des Beschleunigungsmesser-Ausgangssignals mit der Funktion sgncos ω t zur Erzeugung des Produktsignals a«sgncosoJt, und (2) Integrieren des Produktsignals über der zyklischen Periode. Die spezifischen Kraftvektorkomponenten von F_ (d. h. F., wobei i = x, y, z) werden abgeleitet durch Integrieren der jeweiligen Beschleunigungsmesser-Ausgangssignale (a) über der zyklischen Periode. Diese Patentanmeldung enthält eine Diskussion und eine mathematische Analyse der betroffenen Dynamik und zeigt, daß eine Anzahl von wichtigen Vorteilen erzielt werden, die das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung besonders geeignet für nichtgyroskopische Trägheitsnavigationssysteme (INS) machen. Für weitere Einzelheiten der beschriebenen Technik zur Signalabtrennung und die hierdurch erzielbaren Vorteile wird auf diese Patentanmeldung und den oben angegebenen Artikel von S.J. Merhav hingewiesen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Messen der spezifischen Kraft und der Winkelgeschwindigkeit eines sich bewegenden Körpers, die eine Anzahl von weiteren wichtigen Vorteilen ermöglicht, was im einzelnen im folgenden beschrieben wird. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist von

besonderem Nutzen in Verbindung mit der Technik der in der angegebenen Patentanmeldung beschriebenen Signalabtrennung und wird daher im folgenden im Hinblick auf diese Technik beschrieben.

Eine Vorrichtung zur Messung der spezifischen Kraft und der Winkelgeschwindigkeit eines sich bewegenden Körpers weist mehrere Beschleunigungsmesser auf, die an zueinander senkrechten Achsen befestigt sind und durch Antriebseinrichtungen in zueinander senkrechten Ebenen periodisch angetrieben werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist jeder Beschleunigungsmesser so angeordnet, daß er eine Vibrationsbewegung ausführen kann und durch die Antriebseinrichtung längs einer Vibrationsachse in seiner jeweiligen Ebene angetrieben wird, anstatt in seiner Ebene gedreht zu werden, wie bei der in der angegebenen Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsform einer gattungsgemäßen Meßvorrichtung.

Im folgenden werden einige Anordnungen zur Erzeugung der Vibrationsbewegung der Beschleunigungsmesser mit weiteren Merkmalen der Erfindung beschrieben.

Bei einer weiter unten beschriebenen Ausführungsform ist der Beschleunigungsmesser durch elastische Mittel, wie z.B. einer Membran, elastisch befestigt, die die Bewegungsmöglichkeiten des Beschleunigungsmessers auf Bewegungen längs der Vibrationsachse einschränkt. Die Antriebseinrichtung ist mit einer Quelle für einen Sinusstrom verbindbar zum Vibrieren des Beschleunigungsmessers längs der Vibrationsachse. Jede Bezugsachse des sich bewegenden Körpers kann mit zwei derartigen Vibrations-Anordnungen versehen werden, die jeweils koaxial und Rücken-an-Rücken angeordnet sind. Die Antriebseinrichtung der einen Anordnung vibriert diese Anordnung synchron, jedoch entgegengesetzt zur Antriebseinrichtung der anderen Anordnung, wodurch eine Anordnung als Ausgleichsmasse für den dynamischen Ausgleich der anderen Anordnung dient.

^:3 4 3 21 5

Eine mit den obigen Merkmalen gebaute Vorrichtung ermöglicht eine Anzahl von wichtigen Vorteilen, insbesondere in Anwendung bei nichtgyroskopischen Trägheitsnavigationssystemen ClNS). Sie ermöglicht somit einen periodischen Antrieb der Beschleunigungsmesser ohne rotierende oder gleitende mechanische Lager, wodurch Gleitringe oder andere gleitenden elektrischen Kontakte vermieden werden. Die beschriebene Anordnung liefert zusätzlich eine Beschleunigungsmesseranordnung, die längs der empfindlichen Achse in sich starr ist, was die Übertragung der Vibrationsbewegung auf die Beschleunigungsmesser mit Amplituden, Frequenzen und Phasenwinkeln ermöglicht, die sehr genau gesteuert werden können, und was die Beschleunigungsmesser im wesentlichen unempfindlich gegenüber äußeren Kräften, Stoßen und Vibrationen macht. Ein weiterer Vorteil, insbesondere der Rücken-an-Rücken-Anordnung besteht darin, daß sie die gewünschte Vibrationsbewegung derart erzeugt, daß die dynamischen Kräfte genau ausgeglichen sind. Die obigen Vorteile ergeben einen weitaus höheren mittleren Ausfallabstand CMTBF) als die IMU¹s der Kreiselbauart oder die IMU's der Nicht-Kreiselbauart mit rotierenden Beschleunigungsmessern.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist jeder Beschleunigungsmesser an einem Träger befestigt, der um eine zur Vibrationsachse senkrechten Drehachse drehbar ist, wobei die Antriebseinrichtung ihren Träger mit einer kleinen Winkelbewegung um seine Drehachse zum Schwingen bringt. Der Träger hat auch eine Ausgleichsmasse auf der gegenüberliegenden Seite seiner Drehachse für den Ausgleich der Beschleunigungsmasse. Bei dieser beschriebenen Ausführungsform enthält die Antriebseinrichtung einen Servo-Elektromotor, der von einem sinusförmigen Strom angetrieben wird und eine kleine beinahe gradlinige Winkelschwingbewegung (einige wenige Grad) ausführt. Diese Ausführungsform hat den weiteren Vorteil einer

im wesentlichen völligen Unempfindlichkeit gegenüber äußeren linearen Vibrationen und Stoßen, einer einfachen Konstruktion und einer hohen Genauigkeit bei geringen Kosten.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung weist eine Stimmgabel auf. Diese Ausführungsform ermöglicht ebenfalls einen genauen Ausgleich der dynamischen Kräfte. Der Beschleunigungsmesser enthält eine Masse, die zur Ausführung einer Vibrationsbewegung an einer ersten Zinke der Stimmgabel befestigt ist. Die zweite Zinke der Stimmgabel enthält eine Ausgleichsmasse, die die beiden Zinken zum Vibrieren mit einer gegebenen Eigenfrequenz veranlaßt. Bei dieser Ausführungsform trägt eine Zinke der Stimmgabel das elektrische Antriebsglied und die andere Zinke einen elektrischen Meßwertgeber. Eine derartige Anordnung kann eine elektrische Rückkopplungsschleife vom Meßwertgeber zum Antrieb enthalten und so einen elektromechanischen Oszillator bilden, dessen Schwingungen durch die Rückkopplungsschleife aufrechterhalten werden.

Die Stimmgabelanordnung bietet zusätzlich zu einem wegen der gegenläufigen Massen ausgeglichenen dynamischen System eine Anzahl von weiteren Vorteilen. So benötigt die Anordnung eine geringe Leistung, da für den Antrieb des Antriebsglieds nur die zur Ergänzung der reibungsbedingten Energieverluste erforderliche Leistung benötigt wird. Da ferner die Vorrichtung als scharf abgestimmter Oszillator wirkt, spricht sie auf mechanische Störungen längs der empfindlichen Achse nicht an, sofern diese nicht genau auf Resonanzfrequenz liegen. Da ferner die Anordnung mit ihrer Eigenfrequenz arbeitet, kann sie zur Synchronisierung des die Signalverarbeitungseinrichtung steuernden Multivibrators verwendet werden. Hierdurch werden Phasennacheilungen vermieden, die die Genauigkeit der Winkelgeschwindigkeit- und spezifischen Kraftvektoren, die von den Beschleunigungsmesser-Ausgangssignalen abgeleitet werden, beeinflussen könnten.

Aus dem obigen ist ersichtlich, daß die auf die Beschleunigungsmesser ausgeübte "Vibrationsbewegung" nicht nur eine reine geradlinige Bewegung sein kann, wie bei der ersten der oben angegebenen Ausführungsformen, sondern auch eine ungefähr geradlinige Bewegung (d.h. eine kleine, beinahe geradlinige Winkelschwingbewegung), wie bei den zweiten und dritten der oben angegebenen Ausführungsformen der Erfindung.Dies ergibt sich deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung jeder dieser drei Ausführungsformen.

Eine weitere Verbesserung des vibrierende Beschleunigungsmesser verwendenden Geschwindigkeits- und Kraftfühlers ist erzielbar durch Verwendung von paarweise angeordneten Beschleunigungsmessern für jede Achse, für die eine Winkelgeschwindigkeitsinformation gewünscht ist. Drei Anordnungen von Beschleunigungsmesserpaaren werden im folgenden beschrieben, die eine ausgeprägte Erhöhung der Genauigkeit des gewonnenen Geschwindigkeitssignals und des Kraftsignals liefern können. Die erste derartige Anordnung weist zwei Beschleunigungsmesser auf, die mit ihren Eingangs- oder kraftempfindlichen Achsen parallel zu der Achse angeordnet sind, längs der sie vibriert werden. Bei der zweiten Anordnung sind beide Beschleunigungsmesser Rücken-an-Rücken angeordnet, wobei ihre kraftempfindlichen Achsen entgegengesetzt zueinander.und senkrecht zu einer Achse sind, um die sie vibriert werden. Die dritte Anordnung weist Rücken-an-Rücken angeordnete Beschleunigungsmesser auf, deren kraftempfindliche Achsen einander entgegengesetzt sind und die geradlinig und senkrecht zu den kraftempfindlichen Achsen vibriert werden.

Die oben beschriebene paarweise Anordnung ermöglicht ferner eine Trennung der Kraftsignale von den Geschwindigkeitssignalen durch Summen- sowie Differenzbildung der Ausgangssignale der paarweisen Beschleunigungsmesser bevor diese Signale in eine Signaltrennschaltung eingegeben werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips der Signaltrennung nach der oben angegebenen US-Patentanmeldung und bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines nicht gyroskopischen Trägheitsmeßsystems, das auf dem Prinzip der Signaltrennung beruht, das in der oben angegebenen US-Patentanmeldung beschrieben und auch in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthalten ist;

Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche schematische Darstellung, jedoch mit vibrierenden Beschleunigungsmessern nach der Erfindung anstelle der rotierenden Beschleunigungsmessern von Fig. 1;

Fig. 4 eine Ausführungsform einer gemäß der Erfindung aufgebauten vibrierenden Beschleunigungsmesseranordnung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines mit geschlossener Schleife arbeitenden Antriebs für eine Beschleu nigungsmesseranordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Verwendung zweier vibrierender Beschleunigungsmesseranordnungen, von denen jede der Konstruktion von Fig. 4 entspricht und die zum Ausgleich der dynamischen Kräfte Rücken-an-Rücken angeordnet sind;

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen vibrierenden Beschleunigungsmesseranordnung, bei

der ein Servo-Elektromotor verwendet wird, der den Beschleunigungsmesser und eine Ausgleichsmasse mit einer kleinen Winkelschwingbewegung antreibt;

Fig. 8 eine dritte Ausführungsform einer vibrierenden Beschleunigungsmesseranordnung nach der Erfindung, bei der eine Stimmgabel verwendet wird, die die dynamischen Kräfte genau ausgleicht;

Fig. 9 ein Blockdiagramm einer elektromechanischen Oszillatoranordnung mit einer Stimmgabel-Beschleunigungsmesseranordnung gemäß Fig. 8;

Fig.10 eine vereinfachte schematische Schrägansicht von paarweise angeordneten Beschleunigungsmessern, deren kraftempfindliche Achsen zur Achse der Winkelvibration parallel sind;

Fig. 11 eine vereinfachte schematische Schrägansicht von paarweise angeordneten Beschleunigungsmessern, die Rücken-an-Rücken angeordnet sind und deren kraftempfindliche Achsen zur Achse der Winkelvibration senkrecht sind;

Fig. 12 eine vereinfachte schematische Schrägansicht von paarweise angeordneten Beschleunigungsmessern, die Rücken-an-Rücken angeordnet sind und deren kraftempfindliche Achsen zur Richtung der geradlinigen Vibration senkrecht sind;

Fig. 13 eine der Fig. 2 ähnliche schematische Darstellung zur Erläuterung des Betriebs der paarweisen Beschleunigungsmesseranordnung von Fig. 10 in einem dreiachsigen Geschwindigkeitsfühler;

Fig. 14 eine der Fig. 3 ähnliche schematische Darstellung des Betriebs der paarweisen Beschleunigungsmesseranordnung von Fig. 11 in einem dreiachsigen Geschwindigkeitsfühler;

Fig. 15 eine der Fig. 3 ähnliche schematische Darstellung des Betriebs der paarweisen Beschleunigungsmesseranordnung von Fig. 12 in einem dreiachsigen Geschwindigkeits- und Kraftfühler;

Fig. 16 eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit der paarweisen Beschleunigungsmesseranordnung nach Fig. 10;

Fig. 17 eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit der paarweisen Beschleunigungsmesseranordnung nach Fig. 11;

Fig. 18 eine Seitenansicht einer Vorrichtung mit der paarweisen Beschleunigungsmesseranordnung nach Fig. 12;

Fig.19 ein Blockdiagramm einer Signaltrennschaltung der Bauart von Fig. 2 unter Hinzufügung einer Vorverarbeitungsschaltung zum Bilden der Summen und Differenzen der Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser.

Gesamtsystem und Prinzip der Signaltrennung (Fig. 1 und 2)

Vor der Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung gemäß Fig. 3 bis 8 werden die Prinzipien der Signaltrennung und des Gesamtsystems zur Messung der spezifischen Kraft und der Winkelgeschwindigkeit eines sich bewegenden Körpers (wie in der oben angegebenen US-Patentanmeldung und in dem angegebenen Artikel beschrieben) diskutiert.

Mit Bezug auf Fig. 1 lautet die allgemeine Gleichung für die Gesamtbeschleunigung, die an einer sich in einem rotierenden System bewegenden Punktmasse meßbar ist:

dr a = F + Π xr_+2 α χ -

χ ( Ω

d"r dt

worin Λ der Winkelgeschwindigkeitsvektor des Systems, Έ_ der spezifische Kraftvektor undjr_der augenblickliche Abstand der Punktemasse vom Drehungsmittelpunkt des Systems sind. Insbesondere ist_r_ = £_ + j£ , wobei _£_ der Vektor des augenblicklichen Abstands der Punktmasse von ihrem Umlaufmittelpunkt und /_ der Vektor des festen Abstands des Umlaufmittelpunkts des Elements vom Drehungsmittelpunkt des Systems sind. Der Index _b_gibt an, daß die Differentiation komponentenweise gemäß den Achsen des rotierenden Körpers erfolgt. Die Gleichung (1) kann wie folgt umgeschrieben werden

SL

2Π x^
dt

+ ϋ X(Hx(I⁺M)

d²P

wobei für (°

Ey

ρ sin^ t

ρ cos ω t

ρ sin ^μχ	tut	Y
ρ cos y	ω t	Ϊ
0		k

eingesetzt wird;

worin J^, j_ und Jl die Einheitsvektoren in den +x, +y bzw. + z Richtungen sind. Bei Einführung der Rauschsignalkomponenten

und Aufspaltung von ja in a , a und a , wobei

χ y ζ

= P ist, und Auflösung nach a , a und a

χ'

η und n

¹X'

gelangt man zu:

+ 2ωρ sinio t

t + γ sin'jJt) + η

P ⁺ "2^T I⁺qP (r cos ωί + ρ sin ω t) + η

K (Ρ ⁺ rq) ⁺ 2ωρ cos ωί ί ρ -

(3)

Es sei angenommen, daß jedes der Rauschsignale η = η , η , η,

χ γ i.

aus den folgenden drei Komponenten besteht:

mit: n,: niederfrequentes (Drift)-Rauschen

η : periodisches oder zufallsverteiltes Fahrzeugrauschen

η : zufallsverteiltes hochfrequentes Meßfühlerr

rauschen mit Mittelwert 0.

In dem in der angegebenen US-Patentanmeldung dargestellten rotierenden Beschleunigungsmessersystem gibt es zusätzlich zu den unterstrichenen erwünschten Ausdrücken in den Gleichun gen (3) - (5) eine Anzahl von zusätzlichen unerwünschten Ausdrücken, die möglicherweise zu Fehlern führen können. Dies ergibt sich hauptsächlich aus den p, q, r enthaltenden dynamischen Ausdrücken und ihren Ableitungen sowie aus den in η enthaltenden Meßfühler-Rauschsignal-Komponenten.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der in der US-Patentanmeldung beschriebenen Erfindung besteht darin, daß sie eine Einrichtung zum Trennen von F von q, F von r und F von ρ vorsieht, derart, daß die unerwünschten Ausdrücke auf ein ausreichend niedriges Niveau gesenkt werden, so daß die Wirkung der Kreuzproduktausdrücke qp, gr und rp im wesentlichen beseitigt ist.

Ein weiterer wichtiger Vorteil bei der Verwendung von vibrierenden Beschleunigungsmessern nach der Erfindung besteht darin, daß die orthogonalen Ausdrücke wie z.B. 2^f>siniJ t ( r + %—) aus der obigen Gleichung (3) (und die entsprechenden Ausdrücke aus den obigen Gleichungen (4) und (5) herausfallen, wodurch diese Fehlerquelle in der rotierenden Beschleunigungsmesseranordnung sogar noch weiter verringert wird. Da diese orthogonalen Ausdrücke sich aus der Drehbewegung der Beschleunigungsmesser ergeben, treten sie nämlich in der Anordnung nach der Erfindung nicht auf, die eine Vibrationsbewegung der Beschleunigungsmesser betrifft.

Fig. 2 (die der Fig. 4 der angegebenen US-Patentanmeldung entspricht) zeigt in Form eines Blockdiagramms eine nichtgyroskopische Trägheitsmeßeinheit (IMU), die nach den oben beschriebenen Prinzipien der Signaltrennung bezüglich eines Kanals arbeitet, nämlich desjenigen des Beschleunigungsmessers A . Die beiden anderen Kanäle für die Beschleuni-

gungsmesser A und A sind ähnlich aufgebaut, χ y

Die in Fig. 2 dargestellte Einheit enthält drei Untersysteme, nämlich einen Steuerimpulsgenerator 2, einen elektromechanischen Antrieb 3 zur Drehung jedes Beschleunigungsmessers der Dreieranordnung von Fig. 1 und eine elektronische Signaltrennungseinrichtung 4.

Der Steuerimpulsgenerator 2 wird durch einen freischwingenden Multivibrator 21 mit einer hochgenauen Bezugsfrequenz 4f

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(f = 1/Τ) angetrieben. Der Multivibrator steuert ein Rechteckwellengenerator 22, der Rechteckwellen mit einer Frequenz £ erzeugt. Diese Rechteckwellen werden als Synchronisierungsimpulse verwendet. Sie werden auf einen Rücksetz- und Integriersteuerimpulsgenerator 23 und auf einen Abtastimpulsgenerator 24 gegeben. Diese Generatoren werden zur Steuerung des Betriebs der Verarbeitungseinrichtung 4 verwendet, was im einzelnen noch beschrieben wird.

Synchronisierimpulse vom Reckteckwellengenerator 22 werden auch auf einen Antriebssignalgenerator 31 im elektromechanischen Antriebssystem 3 gegeben. Die Ausgangssignale vom Antriebssignalgenerator 31 treiben die Beschleunigungsmesser der Anordnung 32 so an, daß die Beschleunigungsmesser um ihre jeweiligen Achsen mit einer gegebenen Frequenz Cu = 2 gedreht werden. Wenn somit der Körper, mit dem die Beschleunigungsmesseranordnung 32 fest verbunden ist, einer spezifischen Kraft F und einer Winkelrollgeschwindigkeit ρ ausge-

Δι

setzt ist, erzeugt er ein resultierendes Ausgangssignal a .

Das Beschleunigungsmesser-Ausgangssignal a wird in die Verar-

Δι

beitungseinrichtung 4 eingegeben, um hiervon den spezifischen Kraftvektor F und den Winkelgeschwindigkeitsvektor ρ derart

Δι

abzutrennen, daß die unerwünschten Komponenten des Signals a gemäß den oben erläuterten Gleichungen (3) - (5) und (6) - (8) im wesentlichen unterdrückt werden. In diesem Fall werden die F - und p-Komponenten berücksichtigt, so daß die Gleichung (5)

Die Verarbeitungseinrichtung 4 enthält eine Multiplizieroder Signalumschaltschaltung 41 zum Multiplizieren der eingegebenen Werte von a mit der periodischen Funktion sgncoscot,

Lt

deren Mittelwert gleich Null ist, die das Produktsignal a sgncosCJt liefert. Dieses letztere Signal wird in eine

-^: - :^: -2432150 7C

Integrierschaltung 42 eingegeben, die das Produktsignal über einer Zyklusperiode T integriert. Die Integrierschaltung 42 wird am Ende der Periode T durch den Steuerimpulsgenerator 23 zurückgestellt, gibt jedoch vor ihrer Rückstellung ihren Aufenthalt an eine Abtast- und Halteschaltung 43 aus, die ihrerseits durch den Abtast- und Impulsgenerator 23 gesteuert wird. Wie oben beschrieben, bewirkt diese Verarbeitung des Beschleunigungsmesser-Ausgangssignals a , daß der Inhalt der Abtast- und Halteschaltung 43 der Winkelgeschwindigkeitskomponente "ρ" entspricht.

Das Beschleunigungsmesser-Ausgangssignal a wird in einen zweiten Kanal innerhalb der Verarbeitungseinrichtung 4 eingegeben, der eine zweite Integrierschaltung 44 enthält, die dieses Signal über der Periode T integriert. Die Integrierschaltung wird ebenfalls am Ende der Periode T durch den Steuerimpulsgenerator 23 zurückgestellt, gibt jedoch vor ihrer Rückstellung ihren Inhalt an eine weitere Abtast- und Halteschaltung 45 aus, die durch den Abtastimpulsgenerator 24 gesteuert wird. Aus der obigen Betrachtung ist ersichtlich, daß der Inhalt der Abtast- und Halteschaltung 44 dem spezifischen Kraftvektor F entspricht.

Für eine weitere Beschreibung des Gesamtsystems und die durch das Prinzip der Signalabtrennung, auf der das System beruht, erzielten Vorteile wird auf die eingangs erwähnte US-Patentanmeldung verwiesen. Es wird hervorgehoben, daß dieselben Vorteile bei der Erfindung auftreten, wenn diese in einem solchen Meßsystem angewendet wird, und zwar zusätzlich zu weiteren durch die Erfindung erzielbaren Vorteilen, was im einzelnen noch beschrieben wird.

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Prinzip der Verwendung von vibrierenden Beschleunigungsmessern (Fig. 3)

Die Erfindung verwendet vibrierende Beschleunigungsmesser zur Erzeugung der Beschleunigungsmesser-Ausgangssignale, von denen die Komponenten des spezifischen Kraftvektor F_ und die Komponenten des WinkelgeschwindigkeitsvektorsΏ. abgeleitet werden, während die unerwünschten Komponenten dieser Signale im wesentlichen unterdrückt werden. Dies ist in Fig. 3 dargestellt, die der schematischen Darstellung von Fig. 1 ähnlich ist, jedoch vibrierende Beschleunigungsmesser anstelle von rotierenden Beschleunigungsmessern enthält. Fig. 3 zeigt somit eine Dreieranordnung von Beschleunigungsmessern A , A ,

χ y

A , die jeweils mit einer Amplitude ρ und einer Frequenz Co in den (x, y) - (y, z) - bzw. Cx, z) -Ebenen vibrieren, wobei die empfindlichen Achsen in den x-, y- und z-Richtungen ausgerichtet sind.

Spezielle Vibrations-Beschleunigungsmesseranordnungen sind in Fig.4 bis 9 dargestellt und im folgenden beschrieben. Diese Figuren zeigen nur einen Kanal, nämlich denjenigen des Beschleunigungsmessers A , wobei die empfindliche Achse für den spezifischen Kraftvektor der Z-Achse, die Vibrationsachse die Y-Achse und die empfindliche Achse für den Winkelgeschwindigkeitsvektor die X-Achse sind. Somit mißt der längs der Y-Achse vibrierende Beschleunigungsmesser A die spezifische Massenkraft und die Winkelgeschwindigkeit des sich bewegenden Körpers gegenüber den Bezugsachsen Z und X. Die beiden anderen Kanäle, d.h. diejenigen für die Beschleunigungsmesser

A und A , sind analog aufgebaut und liefern entsprechende χ y

Messwerte für ihre jeweiligen Achsen. Die Vibrationsfrequenz ^ der Beschleunigungsmesser bei allen im folgenden beschriebenen Ausführungsformen beträgt vorzugsweise 30 - 60 Hz. Die Verschiebung während ihrer Vibrationsbewegung liegt typisch imBereich zwischen 0,24 - 3 mm.

Wie oben angegeben, besteht einer der Hauptvorteile bei der Verwendung von vibrierenden Beschleunigungsmessern gegenüber rotierenden Beschleunigungsmessern darin, daß die orthogonalen Ausdrücke in den Gleichungen (3) - (5) (d.h. 2wf>sincjt (r + —9^j ) in Gleichung (3) überhaupt nicht existieren, wodurch ein stark verbessertes Gesamtverhalten möglich ist. Viele weitere Vorteile werden noch im einzelnen beschrieben.

Anordnung mit vibrierenden Beschleunigungsmessern von Fig. 4 bis 6.

Die Beschleunigungsmesseranordnung 50 von Fig. 4 weist ein äußeres zylindrisches Gehäuse 52 auf, das eine Beschleunigungsmeßeinheit 54 umschließt, die eine träge Masse 56 enthält. Die Beschleunigungsmessereinheit 54 wird von einer Montageplatte 58 getragen, die mittels einer elastischen Membran 60 im Gehäuse 52 elastisch gehalten ist. Die Membran beschränkt die Bewegung der Beschleunigungsmessereinheit 54 ausschließlich auf die Y-Achse. Diese ist die Vibrationsachse und zur Z-Achse senkrecht, welche, wie oben angegeben, die empfindliche Achse für den spezifischen Kraftvektor in der Beschleunigungsmesseranordnung ist.

Die Antriebseinrichtung zum Vibrieren der Beschleunigungsmessereinheit 54 längs der Y-Achse weist einen zylindrischen Permanentmagnet 62 auf, der an seinem einen Ende im Gehäuse befestigt ist und einen zylindrischen Luftspalt 54 hat, der zur Y-Achse der Vibration der Beschleunigungsmesseranordnung koaxial ist. Die Antriebseinrichtung enthält ferner eine Antriebsspule 66, die an einem an der Montageplatte 58 befestigten zylindrischen Spulenkern 68 angeordnet ist. Die Antriebsspule 66 befindet sich im zylindrischen Luftspalt 64 und ist koaxial zur Y-Achse der Vibration. Die Antriebsspule 66 kann einen sinusförmigen antreibenden Strom aufnehmen, der eine Kraft erzeugt, die die Beschleunigungsmessereinheit

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54 einschließlich ihrer Nachweismasse 56 und der Montageplatte 58 sinusförmig längs der Y-Achse gegen die Federkraft der Membran 60 bewegen läßt.

Die Beschleunigungsmesseranordnung von Fig. 4 weist ferner einen Meßwertgeber auf, der im Gehäuse 52 angeordnet und mit der Beschleunigungsmessereinheit 54 und ihrer trägen Masse zur Messung von deren Verschiebungsgeschwindigkeit längs der Y-Achse der Vibration verbunden ist. Dieser Meßwertgeber kann einen weiteren Permanentmagneten 70 (oder eine eisenlose Feldspule) und eine Geberspule 72 aufweisen, die hiermit am anderen Ende des Gehäuses 52 zusammenarbeitet. Der Permanentmagnet 70 ist auch zylindrisch, jedoch viel kleiner als der Antriebsmagnet 62, und ist auch mit einem zylindrischen Luftspalt 74 versehen. Die Geberspule 72 ist auch auf einem zylindrischen Spulenkern 76 angeordnet, der an der Beschleunigungsmessereinheit 54 derart befestigt ist, daß sich die Geberspule 72 im Luftspalt 74 befindet und koaxial zur Y-Achse der Vibration der Beschleunigungsmesseranordnung ist.

Die Beschleunigungsmesseranordnung von Fig. 4 enthält ferner: eine erste Gruppe von äußeren Klemmen 77, die über nicht gezeigte elektrische Leitungen mit der Antriebsspule 66 für die Zufuhr des Antriebsstroms und mit der Geberspule 76 .verbunden sind, die die Bewegung der Beschleunigungsmessereinheit 54 mißt, und eine zweite Gruppe von äußeren Klemmen 78, die über nicht gezeigte elektrische Leitungen mit inneren Klemmen 79 verbunden sind, die von der Beschleunigungsmessereinheit 54 getragen werden, zum Liefern der Speisespannungen bzw. der Ausgangssignale zur und von der Beschleunigungsmessereinheit 54.

Der an die Antriebsspule 66 gelieferte sinusförmige Antriebsstrom (I = I sinUJt) übt somit auf die Antriebsspule eine hierz proportionale Kraft aus und läßt die Beschleunigungsmessereinhe

^: 3Λ32150

54 einschließlich ihrer Nachweismasse 56 und der Montageplatte 58 sinusförmig längs der Y-Achse gegen die elastische Membran 60 ähnlich der Erregung eines Lautsprechers vibrieren. Die sich zusammen mit der Beschleunigungsmessereinheit 54 bewegende Geberspule 72 induziert eine Spannung, die der Geschwindigkeit der Sinusbewegung der Beschleunigungsmessereinheit 54 proportional ist. Die längs der Y-Achse gemessene Geschwindigkeit (y) wird über die Klemmen 77 ausgegeben. Wenn somit die Bewegung wegen I = I sin OJ t gleich y = y sin(OJt + 0) = P sin (cdt 0) ist, wobei 0 eine Phasenverschiebung auf Grund der dynamischen Nacheilung der bewegten Anordnung ist, beträgt die entsprechende Geschwindigkeit y = P^cos (£<J t + φ) . Das von der Geberspule 72 ausgegebene Signal stellt diese gemessene Geschwindigkeit y der die Beschleunigungsmessereinheit 54 enthaltenden bewegten Anordnung dar.

Fig. 5 zeigt, wie diese von der Geberspule 72 ausgegebene gemessene Geschwindigkeit (y) auch zur Verstärkung einer geregelten Bewegung der Beschleunigungsmessereinheit 54 durch Regelung der Zufuhr des Antriebsstrom zur Antriebsspule 66 verwendet wird.

Somit erzeugt der durch die Eingangsimpulse 8 1 synchronisierte Steuersignalgenerator 80 das Signal V = V^coswt, das über eine Leitung 82 zu einem Differenzleistungsverstärker 84 geliefert wird. Der Ausgang des Differenzleistungsverstärkers 84 ist über eine Leitung 86 mit der Antriebsspule 66 der Beschleunigungsmesseranordnung von Fig. 4 verbunden und treibt hierdurch die Anordnung durch einen Strom I = I sin(^t +φ) an. Der letztere Strom erzeugt die Kraft F = F sin(6üt +φ) , die die durch einen Ausgangspfeil 88 angegebene Bewegung y = pWcos(&Jt +φ) bewirkt. Die letztere Bewegung wird durch die Geberspule 72 in Fig. 4 gemessen und über eine Leitung 90 in eine weitere Eingangsklemme des

Differenzleistungsverstärkers 84 geliefert. Der kleine Unterschied zwischen dem Signal an der Leitung 90 und dem Signal V = V cos COt wird verstärkt und erzeugt das Antriebssignal

I = I sin( cd t + φ).
m

Die Anordnung von Fig. 5 ist eine negative Rückkopplungsschleife mit einem Gesamt-Schleifenverstärkungsfaktor L,
der durch den Verstärkungsfaktor des Differenzleistungsverstärkers 84 und des Meßwertgebers 72 bestimmt ist. Durch Vorsehen von L» 1 wird sichergestellt, daß y eng V = V cos 6Jt folgt und daß eine mögliche Kraftstörung F,, die schematisch durch eine gestrichelte Linie 92 dargestellt ist, eine Störung y·, = ^ /L der Geschwindigkeit y erregt. Da L>">1 ist, kann y, auf ein vernachlässigbar kleines Niveau herabgedrückt werden. Dies zwingt die Beschleunigungsmessereinheit 54 und die träge Masse 56 in Fig. 4 für alle praktischen
Zwecke sich gegenüber den Störkräften längs der Y-Achse wie ein starrer Körper zu verhalten.

Somit liefert das mit geschlossenem Regelkreis arbeitende
Antriebssystem von Fig. 5 eine gut geregelte und eingestellte sinusförmige geradlinige Geschwindigkeit längs der Y-Achse. Der Differenzleistungsverstärker 84 ist hinsichtlich des
Frequenzansprechverhaltens so ausgelegt, daß die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises von Fig. 5, gegeben durch HC&¹ ) = y C ^ω 3/V-(GJ), auf eine Bandbreite b abgeflacht ist, so daß b»do gilt, wobei die Phasenverschiebung φ = $H(t*J) bei der Antriebsfrequenz ω praktisch gleich Null ist. Das mit hohem Verstärkungsfaktor arbeitende Antriebsregelsystem erzeugt die gewünschte Bewegung mit einer
vernachlässigbaren nichtlinearen Verzerrung und Phasenverzerrung.

Folgende zwei Aspekte sind von größerer Bedeutung:

(1) Die große Brandbreite und kleine Phasenverzerrung des Regelsystems, und

(2) die Unempfindlichkeit gegenüber von der Geschwindigkeitsgeberspule 72 erzeugten nichtlinearen Verzerrungen.

(1) Hinsichtlich des obigen Aspekts (1) ist die Übertragungsfunktions des offenen Regelkreises des elektrodynamischen Antriebs gegeben durch:

F = BIJ = b£u/R_c,

worin:

B = magnetische Induktion;
/· = Länge der Antriebsspule;
R = Widerstand der Antriebsspule; J ^ ^U/^R _c; ^und

u = Eingangsspannung an den Spulenklemmen.

m = Masse der sich bewegenden Anordnung;

b = Dämpfungskoeffizient; und

c = Federkonstante der Membran

^ilt V' m(s² + & s + S) _y;

11-υ = (5² + 2ω_ηζ5+ ω ²)y

κ· Ä B I . Δ / C . _ζ Δ. 1 b

K?
y =

Wird die Eingangsbetriebsspannung mit V. bezeichnet (Ausgang des Antriebssignalgenerators 80 in Fig. 5), so kann die Übertragungsfunktion des geschlossenen Regelkreises ausgedrückt werden als:

AKs

•Η

2ω

AKs

+ (2 ω ζ+ AKH)S+ ω η η

worin H der Skalenfaktor des Geschwindigkeitsmeßwertgebers 72 in Fig. 5 ist.

Es ist leicht nachzuprüfen, daß K ziemlich groß sein kann. Durch seine Definition und unter Verwendung gelektromagnetischer Einheiten gilt:

K=-

1OmR

WR_c W P

worin W = Gewicht der sich bewegenden Massen; p = spezifischer Widerstand der Kupferspule; S = Querschnitt des Spulendrahtes.

Somit gilt für B = 10⁴ Guass, W = 100 g, S = 10~⁴cm², P (für Kupfer) = 1,6 χ 10~⁶:

K =

ΙΟ⁴ χ 10"⁴

100 χ 1.6 χ 10

Wird zum Beispiel A = 100 angenommen, so liegt AKH eindeutig in der Größenordnung von 10⁵ - 10⁶. Somit ist AKH ?> 2 OJ _n χ , wobei die Beziehung y = ^ γ^ _{üher pLnen sehr großen Band}_

breite eingehalten wird, so daß die Phasenverzerrung φ für die Erregungsfrequenz von 30 - 60 Hz vernachlässigbar klein gemacht werden kann.

(2) Bezüglich des obigen Aspekts (2) und da y = π V- gilt

Δΐ Ml

y = hV., wobei h = ^ . Eine mögliche Nicht linearität kann wie folgt ausgedrückt werden:

y = 1I₀V_{1 +} h_lVi ²

Für V. = V. cos & t gilt:
ι im

=hV. cos i»t + h- V.

ο im 1 im

h V. 2 h,V. 2 h V. cosmt + "1 im + 1 im ' ο im —2T^— 2

Die Ausführung der Operation sgncos&t in der Signaltrennverarbeitungseinrichtung. und die Integration über der zyklischen Periode T verursacht eindeutig ein Abfallen der Beiträge, die durch

Vim' und M_im ²cos2o,t

bedingt sind. Somit sind die Erfordernisse an den Geschwindigkeitsmeßwertgeber 72 bezüglich der Linearität nicht kritisch.

Es sei hervorgehoben, daß wenn die Erfindung bei einem Strap-Down-Trägheitslenkungssystem angewendet wird, eine in Fig. 4 gezeigte Beschleunigungsmesseranordnung 50 einschließlich eines geregelten Antriebs gemäß Fig. 5 für jede der drei Achsen eingesetzt werden würde, wobei das äußere Gehäuse 52 der Beschleunigungsmesseranordnung am Fahrzeug, d.h. am sich bewegenden Körper, befestigt wäre. In einem

-Vr-

stabilen Trägheitslenkungssystem mit kardanisch aufgehängter Plattform würde die Beschleunigungsmesseranordnung 50 für jede Achse an der inneren kardanischen Aufhängung der Plattform angewendet werden.

Bei jeder Anwendung kann die Vibrationsbewegung der Beschleunigungsmesseranordnung Reaktionskräfte erzeugen, die auf den Träger der äußeren Gehäuse 52 wirken. Um diese unerwünschten Unwuchtkräfte zu vermeiden, können zwei vibrierende Anordnungen, wie bei 50a und 50b in Fig. 6 gezeigt, Rücken-an-Rücken angeordnet werden, wobei eine Anordnung, wie oben beschrieben, einen Beschleunigungsmesser enthält, der synchron mit, jedoch entgegengesetzt der anderen Anordnung vibriert, die als Gegengewichtsmasse vibriert und die Beschleunigungsmesseranordnung dynamisch auswuchtet.

Oszillierende Beschleunigungsmesseranordnung nach Fig. 7

Fig. 7 zeigt eine zweite Art einer vibrierenden Beschleunigungsmesseranordnung, bei der der Beschleunigungsmesser durch einen Servo-Elektromotor mit einer kleinen Winkelschwingbewegung, d.h. um einige wenige Grad, gedreht wird, was die Vibrationsbewegung beinahe geradlinig macht. Die empfindliche Achse des Beschleunigungsmessers liegt parallel zu dieser Drehachse. Eine geeignete Auswuchtmasse dient zum dynamischen Auswuchten des Beschleunigungsmessers während seiner Schwingungsbewegung, so daß keine äußeren Kräfte auf den Körper, an dem die Anordnung befestigt ist, ausgeübt werden.

Somit weist die Beschleunigungsmesseranordnung 100 von Fig. 7 ein zylindrisches Gehäuse 102 auf, das über Lager 106, 108 eine Welle 104 drehbar lagert. An der Welle 104 ist eine Scheibe oder Platte 110 befestigt, die als Träger für eine .Beschleunigungsmessereinheit 112 mit einer trägen Masse 114 dient. Die Scheibe 110 trägt auf ihrer gegenüberliegenden Seite auch eine Gegengewichtsmasse 116.

Die Scheibe 110 wird durch einen Servo-Elektromotor mit einer kleinen Schwingungsbewegung angetrieben. Der Elektromotor weist einen am Gehäuse 102 befestigten Stator 118 und einen an der Welle 104 befestigten Rotor 120 auf. Ein Geberrotor 122 ist am entgegengesetzten Ende der Welle 104 befestigt und innerhalb eines am Gehäuse 102 befestigten Geberstators 124 angeordnet.

Die elektrischen Anschlüssen können dieselben wie in Fig. 5 sein, wobei der Differenzleistungsverstärker 84 den Antriebsstrom zu den Leitern des Stators 118 liefert, um dessen Rotor und hierdurch den Beschleunigungsmessern 112 und die am Rotor 120 befestigte Gegengewichtsmasse 116 mit einer kleinen Winkelschwingungsbewegung mit einer Amplitude ""ψ " anzutreiben. Dies ergibt eine Verschiebung y ~ τψ , wobei r der Radius von der Drehachse 130 der Welle 104 bis zum Schwerpunkt der trägen Masse 114 des Beschleunigungsmessers ist.

Wenn somit Th = "ÜJ sincJt, dann ist ν = rcj^ cos u) t und weist τ ~ m m

in die Papierebene. Die Schwingungsbewegung des Beschleunigungsmessers 112 in die und aus der Papierebene verläuft im wesentlichen längs einer zur empfindlichen Z-Achse des Beschleunigungsmessers senkrechten Ebene im wesentlichen geradlinig .

r kann beispielsweise etwa 3 cm betragen, während die Schwingungsbewegung einige wenige Grad und die Verschiebungsamplitude des Beschleunigungsmessers 0,25 - 3 mm beträgt.

Der an der Welle 104 befestigte Meßwertgeber fühlt die Winkelgeschwindigkeit "ψ = ωψ cos^jt ab. Wie beim Meßwertgeber

in

72 in Fig. 5 kann das Ausgangssignal des Meßwertgebers 122 in Fig. 7 als Rückkopplungssignal in den Differenzleistungsverstärker 84 angelegt werden, an den die Antriebsspannung V. = V cos LA t über Leitungen 82 angelegt ist. Somit wird die Winkelgeschwindigkeit ijl in der Anordnung von Fig. 7 dazu gebracht, der Antriebsspannung V. = V cos tot eng zu folgen.

Diese in Fig. 7 dargestellte Anordnung hat eine Anzahl von Vorteilen gegenüber der anhand der Fig. 4-6 beschriebenen Anordnung. Sie weist sich durch größere Einfachheit der mecha nischen Teile, hohe Genauigkeit der Bewegungsausführung und eine im wesentlichen völlige Unempfindlichkeit gegenüber geradlinigen Beschleunigungen in allen Achsen aus.

Stimmgabelanordnung von Fig. 8 und 9

Fig. 8 zeigt eine dritte Art einer vibrierenden Beschleunigungsmesseranordnung. Diese verwendet eine Stimmgabel, die für jede empfindliche Achse des sich bewegenden Körpers vorgesehen sein kann, um einen dynamischen Ausgleich der Kräfte zu bewirken und um noch zu beschreibende wichtige Vorteile vorzusehen. Fig. 9 zeigt eine Art einer Schaltung der vibrierenden Beschleunigungsmesseranordnung von Fig. 8 zur Bildung eines elektromechanischen Oszillators der Aufrechterhaltung von Schwingungen der Stimmgabel-Beschleunigungsmesseranordnung mit nur einer geringen Eingangsleistung, die zum Ergänzen der reibungsbedingten Energieverluste ausreicht, aufrechterhält.

Gemäß Fig. 8 weist die vibrierende Beschleunigungsmesseranordnung 200 ein äußeres zylindrisches Gehäuse 202 auf, in dem eine Stimmgabel 204 mit zwei Zinken 204a, 204b befestigt ist. Die Zinken erstrecken sich parallel zur empfindlichen Achse der jeweiligen Beschleunigungsmesseranordnung, nämlich der Z-Achse in Fig. 8, und hierdurch senkrecht zur Vibrationsachse der Beschleunigungsmesseranordnung, nämlich der Y-Achse in Fig. 8. Die Stimmgabel 204 ist im Gehäuse 202 durch einen Montageständer 206 befestigt, der an einem Zwischensteg 204c der Stimmgabel befestigt ist.

Das Gehäuse 202 weist ferner einen weiteren mit dem Montageständer 206 ausgefluchteten Ständer 208 auf, der zu letzterem und auch vom Zwischensteg 204c mit Abstand angeordnet ist.

An dem Ständer 208 ist an einer Seite ein mit einer Antriebsspule 212 zusammenarbeitender Permanentmagnet 210 und an der anderen Seite ein mit einer Geberspule 216 zusammenarbeitender Permanentmagnet 214 befestigt. Die beiden Permanentmagnete 210 und 214 sind zylindrisch und enthalten zylindrische Luftspalte, in denen sich ihre Antriebsspule 212 bzw. ihre Geberspule 216 befinden. Jede dieser letzteren Spulen ist auf zylindrischen Spulenkernen 218 bzw. 220 angeordnet, die an den Innenseiten der beiden Zinken 204 b bzw. 204a befestigt sind.

An der Außenseite der Zinke 204b ist mittels einer Halterung 222 eine Beschleunigungsmessereinheit 224 mit einer Masse befestigt. In ähnlicher Weise ist an der Außenfläche der Zinke 204a eine weitere Masse 228 befestigt, die für die Beschleunigungsmessereinheit 224 und ihre Masse 226 ein Gegengewicht bildet.

Die elektrischen Verbindungen mit der Antriebsspule 212 und der Geberspule 216 und auch mit der Beschleunigungsmessereinheit 224 werden durch Klemmen 230 und 232 gebildet, die sich außerhalb des Gehäuses 202 erstrecken, und durch Klemmen 234, die sich innerhalb des Gehäuses erstrecken und mit der Beschleunigungsmessereinheit 224 verbunden sind.

Die Stimmgabel 204 in Fig. 8 vibriert mit ihrer Eigenfrequenz und bewirkt hierdurch, daß sich die Beschleunigungsmessereinheit 224 und ihre Masse 226 an der Zinke 204b synchron, jedoch entgegengesetzt zu der Gegengewichtsmasse 228 an der Zinke 204a bewegen. Somit wird auf das Gehäuse 202 und daher auf jeglichen Träger, an dem die vibrierende Beschleunigungsmesseranordnung 200 befestigt ist, keine Kraft ausgeübt. Wie oben in Verbindung mit Fig. 4-6 beschrieben, wäre in einer Strap-Down-Anordnung dieser Träger und die in einer stabilen kardanisch aufgehängten Plattformanordnung die innere kardanische Aufhängung einer Plattform

der sich bewegende Körper selbst. Die Anordung von Fig. 8 liefert somit einen hohen Grad an dynamischer Auswuchtung.

Auf Grund von Reibung und Dämpfung würden die Schwingungen der Stimmgabel 204 nach einer verhältnismäßig kurzen Zeit auf den Wert Null abfallen. Um die Schwingungen unbegrenzt aufrechtzuerhalten, kann die in Fig. 8 dargestellte vibrierende Beschleunigungsmesseranordnung 200 so geschaltet werden, daß sie einen in Fig. 9 dargestellten elektromechanischen Oszillator bildet.

Gemäß Fig. 9 wird das Signal an der Geberspule 216 zu einem Verstärker 240 geliefert, dessen Ausgang mit dem Eingang der Antriebsspule 212 verbunden ist. Der Verstärker 240 ist so gepolt, daß er jegliche Anfangsverschiebung der Zinken 204a, 204b verstärkt. Somit arbeitet das System als elektromechanischer Oszillator mit einer durch die Eigenfrequenz der Stimmgabel gegebenen Frequenz. Diese Eigenfrequenz kann zum genauen Synchronisieren der Frequenz des freischwingenden Multivibrators 21 in Fig. 2 verwendet werden.

Der Verstärker 240 ist vorteilhafterweise ein nichtlinearer Verstärker, z.B. mit einer Sättigungsvorrichtung, um den vollständigen elektromechanischen Oszillator zu zwingen, sich bei einer begrenzten Amplitude zu stabilisieren.

Somit liefert die Stimmgabel-Beschleunigungsmesseranordnung nach Figuren 8 und 9 ein auswuchtendes dynamisches System aufgrund der gegenläufigen Massen und benötigt nur eine geringe Leistung für die Antriebsspule 212, um lediglich die reibungsbedingten Energieverluste zu ergänzen. Die Anordnung unterdrückt als scharf abgestimmter Oszillator mechanische Störungen in der Vibrationsachse (Y-Achse in Fig. 8), außer wenn diese genau mit der Resonanzfrequenz schwingen. Ferner ist die Struktur von sich aus starr in der empfindlichen Achse. Da ferner die Anordnung mit Eigenfrequenz arbeitet

U-O

und den Multivibrator 21 des Steuerimpulsgenerators 2 in Fig. synchronisiert, gibt es keine Phasennacheilungen zwischen cos 03t und sgncosiJt. Ferner ist die Beschleunigungsmesseranordnung äußerst einfach und kann mit geringen Kosten gebaut werden.

Die durch die Verwendung von vibrierenden Beschleunigungsmessern erzielbaren Vorteile ermöglichen die Konstruktion von IMU's, die theoretisch einen weitaus höheren mittleren Ausfallabstand (MTBF) als die IMU's in Kreiselbauart oder nach der Bauart mit rotierendem Beschleunigungsmesser haben.

Obwohl die Erfindung bezüglich einiger bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist zu betonen, daß diese nur als Beispiele angegeben sind. Es gibt viele andere mögliche Anordnungen zur Erzeugung der Vibrationsbewegung, d.h. unter Verwendung von mechanischen Vorrichtungen, wie Nocken oder Gestänge, für die Umformung einer Drehbewegung, etwa von einem Elektromotor (vorzugsweise einem Synchronmotor), in eine Vibrationsbewegung. Es sind viele weitere Variationen, Abänderungen und Anwendungen der Erfindung denkbar.

Paarweise Beschleunigungsmesseranordnungen

Es können bedeutende Verbesserungen der Signalstärke für den kraftempfindlichen Kanal und den geschwindigkeitsempfindlichen Kanal erzielt werden, während gleichzeitig eine Verringerung des Signalrauschens erzielt werden kann, wenn Paare von Beschleunigungsmessern anstatt eines einzigen Beschleunigungsmessers gemäß Fig. 3 für jede Drehungsachse verwendet werden. Fig. 10 - 12 zeigen vereinfachte Darstellungen von drei Anordnungen von paarweise angeordneten Beschleunigungsmessern. Ein ausgeprägter Vorteil der Verwendung von paarweise gemäß Fig. 10 - 12 angeordneten Beschleunigungsmessern besteht darin, daß das im kraftempfindlichen Kanal und im geschwindigkeitsempfindlichen Kanal von Fig. 2 herrschende

Rauschen nur mit der Quadratwurzel aus zwei zunimmt, während die tatsächlichen Kraft- und Geschwindigkeitssignale verdoppelt werden, was eine effektive Erhöhung des Signal-Rauschverhältnisses um die Quadratwurzel aus zwei bewirkt. Zusätzlich werden bei dieser Anordnungsart übliche Beschleunigungsstörungen im geschwindigkeitsempfindlichen Kanal auf Grund von äußeren Kräften, die sich aus fahrzeug- und mechanisierungsbedingten Quellen ergeben, im wesentlichen beseitigt.

Ein erstes System von paarweise angeordneten Beschleunigungsmessern ist in Fig.10 gezeigt, wo zwei Beschleunigungsmesser 300 und 302 auf einer rotierenden Basis 304 befestigt sind, die gemäß den Pfeilen 308 um die Z-Achse 306 rotiert. Die

1 2 kraftempfindlichen Achsen A und A der Beschleunigungsmesser 300 und 302 sind so ausgerichtet, daß sie zur Z-Achse 306 parallel sind, um die der Träger 304 vibriert. Da die Anordnung nach Fig. 10 zwei Beschleunigungsmesser aufweist,

1 2 deren kraftempfindliche Achsen A und A parallel zur zur Vibrationsachse 306 sind, wird diese Anordnung im folgenden als PAPVA-Anordnung (p_air of a.ccelerometers with their farcesensing axes p_arallel to the vibration a.xis) bezeichnet.

Die zweite Anordnung von paarweisen Beschleunigungsmessern ist in Fig. 11 gezeigt, wo zwei Beschleunigungsmesser 310 und 312 auf einem Träger 314 befestigt sind, der im Winkel um die mit 318 bezeichnete Z-Achse vibriert, was durch die Pfeile angegeben ist. Bei dieser Anordnung sind die Beschleunigungsmesser 310 und 312 am Träger 314 Rücken-an-Rücken so angeordnet, daß die kraftempfindlichen Achsen A und A parallel, entgegengesetzt, und zur Achse 318 für die Winkelvibration senkrecht sind. Diese Anordnung wird im folgenden PANVA-Anordnung (p_air of axcelerometers subject to angular motion with their force sensing axes iiormal to the vibration a.xis) genannt zur Bezeichnung von zwei Beschleunigungsmessern, die einer Winkelbewegung ausgesetzt sind und deren kraftempfindliche Achsen zur Vibrationsachse oder Winkelbewegung senkrecht sind.

Die dritte Anordnung ist in Fig. 12 gezeigt, bei der zwei Beschleunigungsmesser 320 und 322 Rücken-an-Rücken angeordnet sind und deren kraftempfindliche Achsen A und A parallel und entgegengesetzt verlaufen. Bei dieser Anordnung werden die Beschleunigungsmesser 320 und 322 geradlinig längs der X-Achse zum Vibrieren gebracht, was durch Pfeile 324 und 326 angegeben ist. Die Anordnung wird im folgenden als PLNVA (p_ained accelerometers caused to vibrate in a _liⁿear manner along a vibration axis which is normal to the force sensing axis) bezeichnet, weil sie eine Anordnung von paarweisen Beschleunigungsmessern ist, die zum geradlinigen Vibrieren längs einer zur kraftempfindlichen Achse senkrechten Vibrationsachse gebracht werden.

Fig. 13-15 entsprechen dem PAPVA, PANVA bzw. PLNVA-Anordnungen von Fig. 10 - 12 und sind die Darstellung eines Konzepts zur Anordnung der paarweisen Beschleunigungsmesser in Dreiergruppen.

In Fig. 13 - 15 sind die Beschleunigungsmesser mit ihren kraft-

12 2 2 1 2

empfindlichen Achsen A₁ , A , A A ,A und A bezeichnet

ι λ y y ε* Δ*

und eignen sich zur Kraftmessung und Winkelgeschwindigkeitsmessung längs bzw. um die zueinander senkrechten Achsen X, Y und Z. Die Anordnungen nach Fig. 13-15 eignen sich zur Verwendung in einem Trägheitsbezugssystem, das seinerseits in einem Trägheitsnavigationssystem verwendet werden kann.

In der PAPVA-Anordnung von Fig. 10 und 13 werden sechs Be-

12 12 schleunigungsmesser benötigt, nämlich A , A , A , A ,

12 χ χ y y

A und A . Die Beschleunigungsmesserpaare werden mit einer konstanten Winkelfrequenz (aJ und konstanten Winkelamplituden <S w vibriert. Das Prinzip der Kraft- und Winkelgeschwindigkeitssignaltrennung ist im wesentlichen dasselbe wie das anhand Fig. 2 erläuterte. Die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser enthalten dieselbe Grundinformation über die Winkeldrehung Λ-und die Kraft F_, wenn auch der tatsächliche Signalgehalt etwas differiert.

Nach der Entwicklung von Gleichungen, die den Signalinhalt der Beschleunigungsmesser von Fig. 13 beschreiben, ist der augenblickliche Abstand jedes Beschleunigungsmessers von dem Punkt, um das sich das Fahrzeug dreht, gegeben durch:

1	⁼
*~~ X**
2
*~ X**

2
~* y
1
*~~ Z**
2 Ιλ "ζ

1 +LSin δ
χ

1 -LSin δ

LCos δ -LCos δ Q

Es wird definiert:

Es wird angenommen: δ

LCos δ 1 +LSin δ

-LCos δ 1 -LSin δ

δ= 6_MSüit

=ωδ

Sin δ = δ = δ ^S ωί Cos δ = 1-1/2 ö_M ²S²

1 +LSin 5

1 -LSin δ ζ

LCos δ -LCos δ

Es wird definiert:

= P/2

Nach Einsetzen der Gleichungen (6) - (10) in die Gleichung (1) und Auflösen, ergeben sich folgende Gleichungen für die Beschleunigungsmesser-Ausgangs signale:

l + F + 1 (pr+q) + -ft- S _wt(pr+q) + L(qp-r) + 2ω -O-Coi t(q+ 5_Μ5_ω t · r)

l + F + 1 (pr+q) + -ft- S _wt(pr+q) + L(qp-r) + 2ω -Coi t(q+ 5_Μ
_Μ ²5² _ω t(qp-r) - 2_ω-|

-1/2L δ_Μ ²5² _ω t(qp-r) - 2_ω-|-Οω t(l/2) ^Viifq (Π)

a². = F + 1 (pr+q) --£s ωΚρΓ-q) - L(qp-f) -2_ω-^-Οω t(q+ j..S_ut.r)

+ 1/2L ^₁ ²S² ω t(qp-'r) + 2ω-f C ωί(ΐ/2) ^²S² ω t -q (12)

Sy = F_y + l_x(pq+p) + -^-Sω t(pq+r) + L(qr-p) + 2_u-§-C _ut(r+ 6_MS _ωΐ . ρ)

-1/2L 5_M ²S² _W t(qr-p) - 2ω -|-C _ωΚΐ/2) 5_MVttifr (13)

a² = F_y + ypq+r) --£-Suit(pq+r) - L(qr-p') - 2ω-ξθ_ω^ν+ ^Su t-p)

+ 1/2L δ_Μ ²5² _ω t(qr-p) + Σω-^-Οω t(l/2) 5_M ²S² _W t-r (14)

z ^{= F}z ^{+ 1}V^⁺P*

²S²

^{= F}z ^{+ 1}V^⁺P* ⁺"f^Sa) ^^Γ+Ρ

-Ll/2 5_M ²S²wt(pr-q) - 2 ω -f-Οω t(l/2) S^S²^ t-p (15)

a² = F +1 (qr-p) --ß-S _ωt(qr+p) - L(pr-q') - 2ω-|·Οωί(ρ^ό ..Soit-q) +

²² _Mt(l/2) O^Vcot-p (15)

Vor der Einspeisung in die Signalverarbeitungseinrichtung
von Fig. 19 werden die Beschleunigungsmessersignale gemäß
Fig. 19 als Summen und Differenzen gemäß der folgenden Matrizengleichung vorverarbeitet:

^ay

a?
ζ

F
*/

1-1

O O

1/2 1/2

-JW-

Q Q

1-1

1 -

1/2 1/2 O

1/2 1/2 s W')

S S

Wird wiederum angenommen, daß F_ und 5r im Intervall T im wesentlichen konstant sind, so verschwinden in den Gleichungen (11) - (16) alle Ableitungen nach der Zeit. Durch entsprechendes Einsetzen in die Gleichung (17) und Auflösen erhält man:

2t) ρ C cotCq-*- ^Siüfr) + pSufpr + 2Lqp L.S^²S²U) t ςρ-2ωρ C ωί(1/2) <5_M ²S²tüt-q (IS)

= 2ωρ Cut Cr+
²S²

+ pSüjtpq+2Lrq-

-L δ. ²S² tut rq - 2 ω ρ C utCl/2)

e^P = 2 ω ρ C ω t(p+ δ .,S tat · q) + ρ S ω tqr + 2Lpr -

- L

t pr - 2ωρ Cut(l/2)

(19' (20)

F
a ^x = F + 1 or

X XZ"

a ^y = F + 1 qp
y y x^Mk^

F
ι '

+ 1 qr

(21)

Auf diese Weise werden durch die paarweise Anordnung zwei Vorteile erzielt, wobei alle spezifischen Kraftkomponenten aus den Beschleunigungssignalen in den Gleichungen (18) - (20). und alle Winkelgeschwindigkeitskomponenten aus den Signalen in Gleichung (21) entfernt werden. Dies verbessert bedeutend die Enkopplung der spezifischen Kraft F_ von der Winkelgeschwindigkeit Ä- . Vom Fahrzeug hervorgerufene Gleichtakt-Rauschsignalformen werden auch aus dem Λ-Kanal entfernt, wie aus den Gleichungen (18) - (20) ersichtlich ist. Um Abschätzungen für die in der unterstehenden Gleichung (22) definierten p, q und r zu erhalten

ι Γ^τ

= —- a„Sgn(Cu)t)dt
^ν Jo

- ι r^T

q = ~- a Sgn(Cw t)dt (22)

ο ^x

_r= -L_ a Sgn(Co»Odt

^{8 y}

⁸PJo ^y

werden ρ, q und r aus den Gleichungen (18) - (20) in die Gleichung (22) eingesetzt. Um Abschätzungen für die in der untenstehenden Gleichung (23) definierten F , F und F zu

χ y y

erhalten

. rT

-T (23)

werden F , F und F aus der Gleichung (21) in die Gleichung χ y ζ

(23) eingeseetzt. Die entsprechenden Ergebnisse sind:

ρ = p(l - 1/6 δ_Μ )

q = q(l - 1/6 δ^²) (24)

f = r(l - 1/6 δ. "

Somit sind jp, q" und r bis auf einen konstanten bekannten Skalenfaktor genau bestimmt, wobei F , F

χ y

ten sind, die oben bestimmt werden.

faktor genau bestimmt, wobei F , P und F dieselben Komponen-

Aus den obenstehenden Gleichungen ergibt sich, daß die erhaltenen Ausgangssignale in vielerlei Hinsicht zu denen äquivalent sind, die bei einer mechanischen Ausführung mit einem einzigen Beschleunigungsmesser erhalten werden. Ebenfalls wird der Einfluß von durch das Fahrzeug hervorgerufenen Rauschsignalen auf den -Ω- -Kanal fast vollständig, aufgrund der Gleichtaktunterdrückung, die durch die paarweise Anordnung der Beschleunigungsmesser bewirkt wird, eliminiert, wie durch die Gleichung (24) ausgedrückt wird. Durch Gradienten im Fahrzeugrauschen längs L verbleiben jedoch einige Rauschsignale im ri.-Kanal. Da L normalerweise einige cm beträgt, ist das Fahrzeugrauschen nicht vollständig eliminiert. Aufgrund möglicherweise verbleibender Restschwingungen in der Drehbewegung um die Antriebsachse können synchrone und unkontrollierte Rauschsignale beibehalten werden und als Untergrund unbekannter Größe im -Q. -Kanal auftreten.

Die Ausführungsform nach Fig. 13 ist im Prinzip ebenfalls ausbalanciert.

-9T-

Gemäß Fig. 14 werden in der PANVA-Anordnung sechs Beschleu-

12 12 1 2 nigungsmesser A , A , A , A , A und A verwendet.

Λ Λ JT J Z* Z

WLderum werden die Beschleunigungsmesser paare mit der Winke lfrequenzLu und der Winkelamplitude ρ vibriert. Die Beschleunigungsmesserausgangssignale enthalten wie vorher die -Q - und F_-Inf ormat ion, jedoch mit unterschiedlichen zusätzlichen dynamischen Ausdrücken. Wie bei der PAPVA-Anordnung von Fig. 13 ist das Grundprinzip der Signaltrennung nicht verändert. Diese Anordnung hat auch den Vorteil einer im wesentlichen vollkommenen Unterdrückung der vom Fahrzeug verursachten Rauschsignale.

Bei der Anordnung nach Fig. 14 beträgt der Abstand jedes Beschleunigungsmesser von dem Drehzentrum des Fahrzeugs

-A

L Cos 5

-LCos

1 +LSin

ly-LSin δ

1 +Lsinö 1 -LSin δ

1 +LSin δ LCos ζ 0

l_x-LSin δ -LCos δ

LCos δ

-LCos δ

(26)

Da bei dieser Anordnung die Beschleunigungsmessereingangsachsen ihre Richtung gegenüber den Körperachsen ändern, werden die abgefühlten Komponenten moduliert. Zum Beispiel ändert sich die Eingangsachse in Übereinstimmung mit

δ: [cosö-i, O-j/

Wird die Gesamtbeschleunigung, die im Fall einer idealen parallelen Bewegung längs der Körperachsen abgeführt wird, mit a , a und a bezeichnet, so ist die tatsächliche Beschleunigung, die durch die im Winkel vibrierenden Beschleunigungsmesser abgefühlt wird, gegeben durch:

/ S

2 ¹X

1 S" •2

^ay

a¹ ζ

	0	Sinö
	0	-Sin δ
	Cos δ	0
	-Cos δ	0
	Sin δ	Cos δ
	-5ΐηδ	-Cos δ
Cos 5
-Cos δ
Sin<5
-Sin δ
0
0

(27)

Mit den Gleichungen (7) - (10) und durch Einsetzen der Gleichungen (26) und (27) in die Gleichung (i) und durch Auflösen können die tatsächlichen Ausgangssignale der Beschleunigungs-

1 2

messerpaare für a und a ausgedrückt werden durch:

χ χ

a^=F_x+/₂(pr+q)-L(q²+r²)+ ρ S ut-pr + 2m-|-C _ωί· q + + δ _MSo)ttF_z-/(p²+q²)]+ 1/2 5_iVl ²S² _wt[-F_v-<(cr-q) - (23)

χ ζ

+ 2L(r²-p²)] -L^² Ui²C²UJ t

X XZ

-2L(r²-p²)l -L 5,V₁ ²I

t-r ) ■*- ρ S ωί-pr + 2Ur^C ^i. q * ⁺<(p²⁺q²)3 ⁺ 1/2 δ_Μ ²5²ω t[F +/(pr+q) - (22)

SO

Aus dieser Substitution ergeben sich ähnliche Gleichungen für a_y ², a_y ², a.,¹ und a_z ².

Da die PANVA-Anordnung nach Figuren 11 und 14 Rücken-an-Rücken erfolgt, wird die Vorverarbeitungsoperation nach Fig. 19 für die PANVA-Anordnung durch die folgende Matrizengleichung

ausgedrückt:

^ay

1	1	0	0	0	0
0	0	1	1	0	0
0	0	0	0	1	1
1/2	-1/2	0	0	0	0
0	0	1/2	-1/2	0	Q
0	0	0	0	1/2	- 1

(30)

Durch Einsetzen der Gleichungen (28) und (29) zusammen mit

12 1 2

ähnlichen Gleichungen für a , a , a und a in die Gleichung

y y ζ ζ

(30) und unter der Annahme, daß F_ und XX während der gesamten Periode T konstant sind, erhält man:

a^q = 2wD Cut-qt pSui t«pi· - 2Ltq +r ) + 1/2

9 )

- 2L ·ω LC M

t[2r²L-4L(p²+q²)]-

(31)

mit ähnlichen Gleichungen a und a^ und unterstehender Glei-

F /^ pp

chung (32) für a χ und ähnlichen Gleichungen für a y und a ζ.

χ y ζ

x^{X = F}x ⁺Λ^{ρΓ + 5}M⁵ ^tF_z-/_z(p²+q²)] + 1/2 ^Vω t[-F_x-£ pr] (32)

Das Einsetzen der Gleichungen für die Winkelgeschwindigkeitskomponente der Beschleunigungen, etwa der Gleichung (31), und der Gleichungen für die Kraftkomponente der Beschleunigungen, etwa der Gleichung (32), in die Gleichungen (22) und (23) ergibt:

P = P

q=q (33)

r = r

V ⁴

L ²

F_y= (Fy₊^q) (1--^L-) (34)

Somit werden bei der PANVA-Anordnung die Winkelgeschwindigkeiten genau und die spezifischen Kräfte bis auf einen bekannten Skalenfaktor bestimmt.

Aus den obigen Gleichungen ist ersichtlich, daß bei den Rückenan-Rücken-Anordnungen das gesamte vom Fahrzeug verursachte Rauschen im -O. -Kanal beseitigt wird. Dies gilt für möglicherweise auftretende Gradienten oder Winkelbeschleunigungen. Ein möglicherweise verbleibendes synchrones Restrauschen der Vibrationsachse einschließlich des senkrecht zur VLbrationsachse auftretenden Rauschen in den Winkelsignalen, werden ebenfalls im rt__-Kanal beseitigt. Die Rücken-an-Rücken-Anordnun gen sind auch empfindlich für mögliche GLeichrichteret"tfekte im \F-Kanal, die sich aus periodischen Komponenten ergeben, die

zu den Eingangsachsen der Beschleunigungsmesserpaare senkrecht sind. Dieser Effekt kann jedoch elektronisch kompensiert werden. Wenn auch die Beschleunigungsmesserpaare auf Grund der Winkelbewegung Zentrifugalkräften unterworfen sind, ermöglicht die Frequenz 2 kJ die Beseitigung dieses Effekts in der Verarbeitungseinrichtung nach Fig. 19. Der Phasenwinkel der Signale in der Verarbeitungseinrichtung hat hier keinen Einfluß. Bei beispielsweise L = 15 mm und £ = 1/15 rad und bei CJ = 200/1 see beträgt er jedoch 0,3 g und verbraucht somit einen Teil des wirksamen Bereichs des Beschleunigungsmessers. Die restlichen Harmonischen der S U)t-Bewegung behalten ungrade Gleichphasen-Komponenten der Zentripetalbeschleunigung bei und tragen somit zu einer möglichen Nullpunktverschiebung.

Die PLNVA-Anordnungen nach Figuren 12 und 15 gleichen den PANVA-Anordnungen mit der Ausnahme, daß die Bewegung der Beschleunigungsmesser 320 und 322 geradlinig ist. Gemäß Fig. 15 beträgt der augenblickliche Abstand der Beschleunigungsmesser zum Drehmittelpunkt des Fahrzeugs

	=
" X
2
y
2
Z
2
N 4

-L

Q	I₂^ScOt	i
	O	i
O	O	k
L	L
-L	-L y
1 + — S co t y 2
1 - V^ut

(55)

Durch Einsetzen der unten stehenden Gleichung (36) in die Gleichung (1) und Auflösen ergeben sich die folgenden Gleichungen für a und a :

2^.2*

a¹ = F +1 (pr+q)+^S _ut(pr+q) + 2U-^-C üit -q - L(q +r )" (35)

X X Z £ *·

_v 1 (

wobei sich aus der Substitution auch ähnliche Gleichungen für

12 12

a , a , a und a ergeben.

y y ί. L

durch Einsetzen der Gleichungen (36) und (37) zusammen mit

12 1 2

den Gleichungen für a ,a , a und a in die Gleichung

y y ζ ζ

(30) und unter der Annahme, daß F_ und Ώ- während der gesamten Periode T konstant sind, ergibt sich:

a^q=2_wpC_wt-q+ pSüjt. pr - 2L(q²+r²) (38)

a =2_ωη0_ωΐ·Γ+ pSut'pq-2L(p +r ) U9)

a^p = 2ωρ Cu fp - ρ S wf qr - 2L(p²+q²) (40)

⁽⁴²⁾

^z = F■ + I qr

Z 2 Z^M

Hier werden p, q, r, F , F und F wie vorher durch Einsetze]

Xy ζ

der Gleichungen (38) - (43) in die Gleichungen (22) bzw. (25) erhalten. Die Ergebnisse sind:

A P=P

= r

F = F + 1 pr χ χ %^ν

F = F + 1 pq

y y χ

Bei dieser Anordnung sind, wie bei der PANVA-Anordnung, daher alle vom Fahrzeug erzeugten Gleichtaktrauschsignalkomponenten im wesentlichen beseitigt. Die kleine Cü -periodische Abweichung von der exakten Kolinearität der Eingangsachsen variiert in Übereinstimmung mit S^t. Somit wird ein mögliches Rauschen aufgrund der Winkelbeschleungiung durch die Sgn(Ct^t)-Operation der Verarbeitungseinrichtung in Fig. 19 beseitigt. Eine Zentripetalkraft auf Grund der periodischen Erregung tritt wie bei der PANVA-Anordnung nicht auf.

Figuren 16 und 18 zeigen eine Vorrichtung mit der PAPVA-Anordnung nach Fig. 10, der PANVA-Anordnung nach Fig. 11 bzw. der PLNVA-Anordnung nach Fig. 12. Die Vorrichtung mit der PAPVA-Anordnung ist in Fig. 16 gezeigt und weist ein Gehäuse 330 mit zwei Eingangs-Musgangssteckern 332 und 334 auf. Am Gehäuse 330 ist eine Welle 340 durch zwei Lager oder elastische Gelenke 336 und 338 befestigt. Die paarweise angeordneten Beschleunigungsmesser 300 und 302 sind am Beschleunigungsmesser-Tragrahmen oder -glied 304 befestigt, das seinerseits an der Welle 340 zur Drehung hiermit befestigt ist. Die Drehvibration der Welle 340 wird durch einen Motor erzeugt, der einen mit der Welle 340 verbundenen Rotor 342 und einen am Gehäuse 330 befestigten Stator 344 aufweist. Durch eine Geberanordnung 346 können Signale erhalten werden, die eine Positions- oder Geschwindigkeitsinformation für ein

Rückkopplungssignal zu einem Antriebsservogerät liefern, das die Amplitude S der Vibration der Welle 340 steuert.

Eine Vorrichtung mit der PANVA-Anordnung ist in Fig. 17 gezeigt. Die Beschleunigungsmesser 310 und 312 sind am Träger 314 befestigt, der seinerseits an einer Welle 348 befestigt ist. Die Welle 348 ist in einem Gehäuse 350 durch zwei Lager oder nachgiebige Gelenke 352 und 354 drehbar befestigt. Die Winkelvibration der Welle 348 und daher der Beschleunigungsmesser 310 und 312 wird durch einen Elektromotor erzeugt, der einen an.der Welle 348 befestigten Rotor 356 und einen am Gehäuse 350 befestigten Stator 358 aufweist. Signale der Bewegung der Beschleunigungsmesser 310 und 312 können durch die Geberanordnung 360 erhalten werden, um eine negative Rückkopplung für ein Antriebsgerät vorzusehen, das die Amplitude £ der Vibration der Welle 348 steuert.

Eine Anordnung mit der PLNVA-Anordnung nach Fig. 12 ist in Fig. 18 gezeigt. Bei dieser speziellen Ausführung erfolgt die geradlinige Translation der Beschleunigungsmesser 320 und 322 längs der Achsen 324 und 326, wie in Fig. 12 gezeigt, durch eine Vorrichtung mit einem Tragrahmen 362, der die Beschleunigungsmesser 320 und 322 hält und durch zwei Biegeelemente 366 und 368 an einem Gehäuse 364 befestigt ist. Am unteren Teil des Tragrahmens 362 liegt ein Gestängeelement 370 an, das seinerseits an einer Welle 372 befestigt ist. Die Welle 372 ist im Gehäuse 364 durch zwei Lager oder nachgiebige Gelenke 374 und 376 drehbar befestigt. Ein Elektromotor mit einem an der Welle 372 befestigten Rotor 378 und einem am Gehäuse 364 befestigten Stator 380 dreht oder vibriert die Welle 372 mit einer sehr beschränkten Winkeldrehung vor und zurück. Wenn sich die Welle 372 mit einem kleinen Winkel vor und zurück dreht, bewirkt das Gestängeelement 370 eine Bewegung der Beschleunigungsmesser 320 und 322 im wesent-

1 liehen senkrecht zu den kraftempfindlichen Achsen A und A

src

Als Ergebnis kann eine im wesentlichen geradlinige Bewegung der Beschleunigungsmesser 320 und 322 senkrecht zu ihren kraftempfindlichen Achsen durch Verwendung der Vorrichtung von Fig. 18 erzielt werden. Signale, die die Winkelposition oder -geschwindigkeit der Welle zur Verwendung durch ein Antriebsservogerät darstellen, können durch eine Meßwertgeberanordnung 382 erhalten werden.

Die bevorzugte Ausführungsform einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Trennung der Kraftsignale F_ von den Winkelgeschwindigkeitssignalen -Q- der paarweisen Beschleunigungsmesseranordnungen von Fig. 10 bis 13 ist in Fig. 19 dargestellt. Der Grundbetrieb der Schaltung für die Verarbeitungseinrichtung in Fig. 19 ist derselbe wie bei der Signaltrennschaltung von Fig. 2.Zum Beispiel ist der Steuerimpulsgenerator 2 derselbe wie in Fig. 2, wobei eine Leitung 384 den Rechteckwellengenerator 22, wie in Fig. 2 gezeigt, mit dem Antriebssignalgenerator 31 verbindet. In ähnlicher Weise werden das Ausgangssignal des Rückstell- und Integriersteuerimpulsgenerators 22 auf einer Leitung 386 vom Steuerimpulsgenerator 2 und das Ausgangssignal des Abtast- und Impulsgenerators 24 auf einer Leitung 388 übertragen. Da die paarweisen Beschleunigungsmesseranordnungen zwei Beschleunigungsmesser verwenden, gibt es in Fig. 19 zwei Beschleunigungsmesseranordnungen 390 und 392, die den Beschleunigungsmessern 300 und 302 in Fig. 10, den Beschleunigungsmessern 310 und 312 in Fig. 11 und den Beschleunigungsmessern 320 und 322 in Fig. 12 entsprechen Die Beschleunigungsmesseraus-

1 ο
gangssignale a und a werden von den Beschleunigungsmesseranordnungen 390 und 392 auf zwei Leitungen 394 bzw. 396 ausgegeben.

Die Signaltrennung erfolgt in der Schaltung nach Fig. 19 im allgemeinen durch dieselben Mittel wie in der Schaltung nach Fig. 2 mit der Ausnahme, daß der das F -Signal auf

3432153

einer Leitung 398 erzeugende Kraftkanal und der das p-Signal auf einer Leitung 400 erzeugende Winkelgeschwindigkeitskanal in Fig. 19 als zwei gesonderte Schaltungen dargestellt sind. Gemäß Fig. 19 enthält eine Kraftkanalschaltung 402 eine integrierte Schaltung 44 und die Abtast- und Halteschaltung 45 der elektronischen Signaltrennverarbeitungseinrichtung 4 von Fig. 2., wobei die Signale auf Leitungen 386 und 388 der integrierten Schaltung 44 und der Abtast- und Halteschaltung 45 von Fig. 2 zugeführt werden. In ähnlicher Weise enthält eine Winkelgeschwindigkeitskanalschaltung 404 eine integrierte Schaltung 42 und eine Abtast- und Halteschaltung 43 nach Fig. 2 und auch die Vorzeichenumschalt- oder Multiplizierschaltung 41. Die Signale auf den Leitungen 386 und werden der integrierten Schaltung 42 und der Abtast- und Halteschaltung 43 zugeführt, wie auch in gleicher Weise das Impulssignal auf der Leitung 384, vgl. Fig. 2

Einer der Hauptvorteile der paarweise angeordneten Beschleunigungsmesser ist die Fähigkeit zur Verwendung von Summen- und Differenztechniken zur Abtrennung solcher Signale, die hauptsächlich zur Translationsbewegung gehören, von Signalen, die hauptsächlich zu Winkelbewegungen gehören. Um lineare spezifische Kraftsignale aus den paarweise angeordneten Beschleunigungsmessern ausschalten zu können, müssen die kraftempfindlichen Achsen so parallel wie möglich und die wirksamen Massenschwerpunkte ebenfalls eng aneinanderliegen. Ob die kraftempfindlichen Achsen der Beschleunigungsmesser in denselben oder entgegengesetzten Richtungen verlaufen, ist eine Frage der Zweckmäßigkeit bei der Auslegung der Anbringung der Beschleunigungsmesser. In jedem Fall wird der Trennvorgang ermöglicht durch derartiges Auslegen der die Vibrationsbewegung erzeugenden Vorrichtung, daß die im Bezugsrahmen des Gehäuses gemessenen Komponenten der Antriebsgeschwindigkeit stets gleich sind und entgegengesetzt Vorzeichen haben.

Die Schaltung für die Vorverarbeitungseinrichtung zur Durchführung der Summen- und Differenzfunktionen ist in Fig. 19 durch eine gestrichelte Linie 406 dargestellt. Die Schaltung 406 für die Vortrennung oder Vorverarbeitung enthält Summierglieder 408 und 410. Die spezielle Vorverarbeitungsschaltung 406 von Fig. 9 dient für Anordnungen, in denen die kraftempfindlichen Achsen in derselben Richtung verlaufen, wie bei der PAPVA-Anordnung von Fig. 10 und verwirklicht in dieser Hinsicht das Prinzip nach Gleichung (17). Hier liefert das Summierglied 408 ein Signal zum kraftempfindlichen Kanal 402, das die Summe der Beschleunigungsmessersignale auf den Leitungen 394 und 396 darstellt. In ähnlicher Weise liefert das Summierglied 410 ein Signal zum Winkelgeschwindigkeitsempfindlichen Kanal 404, das die Differenz zwischen den Beschleunigungsmessersignalen an den Leitungen 394 und 396 darstellt. Es wird angenommen, daß die nichtrotatorischen spezifischen Kraftsignale an den Leitungen 394 und 396 im wesentlichen gleich sind, so daß das summierte Signal an der Leitung 412 tatsächlich die doppelte Empfindlichkeit für die spezifische Kraft vorsieht, die durch die Beschleunigungsmesser längs der kraftempfindlichen Achsen gemessen wird. In ähnlicher Weise ist das Differenzsignal an der Leitung 414 im wesentlichen frei von die spezifische Kraft darstellenden Komponenten. Umgekehrt erzeugt eine reine Drehbewegung zwei sinusförmige Coriolis-Beschleunigungen längs der kraftempfindlichen Achsen der Beschleunigungsmesser mit einer Phasendifferenz von 180°. Diese Phasendifferenz tritt auf, weil die Coriolis-Beschleunigungen das Vektorprodukt aus der Winkelgeschwindigkeit und der relativen Geschwindigkeit sind. In diesem Fall ist die Winkelgeschwindigkeit gleich, während die relative Geschwindigkeit um 180 außer Phase sind. Als Ergebnis ist das Ausgangssignal des Summierglieds 408 an der Leitung 412 im wesentlichen frei von die Winkeldrehung darstellenden Komponenten.

Aus demselben Grund liefert der Ausgang des Summierglieds 410 an der Leitung 414 ein Signal zum Winkelgeschwindigkeitsempfindlichen Kanal 404 mit doppelter Empfindlichkeit für die Winkelgeschwindigkeit.

In den Anordnungen, wie in der PANVA von Fig. 11 und der PLNVA von Fig. 12, wo die kraftempfindlichen Achsen entgegengesetzt gerichtet sind, finden dieselben Prinzipien mit der Ausnahme Anwendung, daß selbstverständlich die Vorzeichen der Signale entgegengesetzt sind. Somit würde in der Vorverarbeitungseinrichtung 406 für die PANVA- und PLNVA-Anordnungen das Summierglied 408 eine Differenz der Beschleunigungssignale an den Leitungen 394 und 396 bilden, während das Summierglied 410 die Signale an den Leitungen 394 und 395 addieren würde, und zwar im allgemeinen entsprechend den durch die Gleichung (30) ausgedrückten Beziehungen. Als Ergebnis enthält das addierte Signal aus dem Summierglied 410 nur das Winkelgeschwindigkeitssignal, während das Differenzsignal aus dem Summierglied 408 nur das spezifische Kraftsignal enthält. Es ist daher ersichtlich, daß die Vorverarbeitungseinrichtung 406 das spezifische Kraftsignal vom Winkelgeschwindigkeitssignal trennt, bevor die Signale zum Kraftkanal 402 und zum Winkelgeschwindigkeitskanal 404 geliefert werden.

Ein weiterer Vorteil der Schaltungsanordnung von Fig. 19 besteht darin, daß die Additions- und Differenztechniken der Vorverarbeitungseinrichtung 406 verwendet werden können, um das Skalieren der Signale zu erleichtern, die zum kraftempfindlichen Kanal 402 und winkelgeschwindigkeitsempfindlichen Kanal 404 geliefert werden. Das Skalieren kann mittels zweier Skalierverstärker 416 und 418 erfolgen. Die Skalierverstärker 416 und 418 können verwendet werden zum Skalieren des Niveaus der zum Kraftkanal 402 und der zum winkelgeschwindigkeitsempfindlichen Kanal 404 gelieferten Signale unabhängig ^von der Größe des Signalausgangs von den Beschleunigungsmessern.

3432 Ί CO

Dies ist besonders wichtig, da die Amplituden der die spezifische Kraft F darstellenden Signale bis zum 100-fachen größer sind als die auf die Winkelgeschwindigkeit ρ bezogenen Signalamplituden. Somit können die konstanten K_p und K q^ für den Verstärkungsfaktor des Verstärkers auf die erwarteten Signalamplituden an den Leitungen 412 und 414 eingestellt werden, um die maximale Auflösung der Signale zu ermöglichen, ohne die Schaltungen 402 und 404 zu übersteuern. In ähnlicher Weise können die Verstärkungsfaktoren K_c und K_n für ein Trägheitsnaviationssystem so geschaltet werden, daß die Geschwindigkeit erhöht und folglich die Auflösung während des Einstellvorgangs des Navigationssystems verbessert wird. Während eines Einsatzes kann es notwendig werden, die Empfindlichkeit des kraftempfindlichen Kanals oder des geschwindigkeitsempfindlichen Kanals zu verringern, um ein Übersteuern der Schaltungen 402 und 404 während der Übergangsmanöver des das Navigationssystem enthaltenden Fahrzeugs zu vermeiden.

F und ρ wurden zur Darstellung von einem der Komponentenpaare von F_ und -O- gewählt. Identische Betrachtungen gelten

für F und q sowie F und r.
χ y

Da eine der Hauptanwendungen der Geschwindigkeitssignale Sl , die durch die oben erläuterten Beschleunigungsmessersysteme erzeugt werden, die Trägheitsnavigationssysteme sind, ist die Wirkung der Rausch- und Fehlersignale auf das Navigationssystem von großer Bedeutung. Wie sich herausstellt, ist das im Ausgangssignal des Winkelgeschwindigkeitskanals 404 vorliegende Beschleunigungsmesserrauschen ein Hauptfaktor für die Genauigkeit eines Trägheitsnavigationssystems, das zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit Beschleunigungsmesser verwendet. Die Wirkung des Beschleunigungsmesserrauschens bei einem gegebenen Rauschniveau ist der Vibrationsamplitude f> umgekehrt proportional. Es wurde zum Beispiel gefunden, daß

3432153 (A

bei Verwendung von der Sundstrand Data Control, Inc. vertriebenen QA-ZOOO-Beschleunigungsmessers, der Positionsfehler etwa zwei nautische Meilen bei einer Vibrationsamplitude ρ von ungefähr 1,25 mm beträgt.

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung eines Signals, das die Winkelgeschwindigkeit eines Körpers darstellt,

gekennzeichnet

durch einen ersten Beschleunigungsmesser (300; 310; 320) mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Ausgangssignals, das die Beschleunigung längs einer ersten kraftempfindlichen Achse darstellt, durch einen zweiten Beschleunigungsmesser (302; 312; 322) mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Ausgangssignals, das die Beschleunigung längs einer zweiten kraftempfindlichen Achse darstellt, durch eine Ausrichteinrichtung (304; 314; 362), die den ersten Beschleunigungsmesser (300; 310; 320) gegenüber dem zweiten Beschleunigungsmesser (302; 312; 322) derart ausrichtet, daß die erste kraftempfindliche Achse zur zweiten kraftempfindlichen Achse im wesentlichen parallel ist,

- durch eine Vibrationseinrichtung (342, 344; 356, 358; 37 8, 380), die mit dem Körper und der Ausrichteinrichtung (304; 314; 362) verbunden ist zum Vibrieren des ersten und des zweiten Beschleunigungsmessers gegenüber dem Körper mit einer Frequenz (X) in einer Richtung, die zur ersten und zur zweiten kraftempfindlichen Achse im wesentlichen senkrecht ist, und

572-B01764/Te(CM)Al

-Z-

durch eine Signalverarbeitungseinrichtung (406, 418, 404), die auf das erste und zweite Ausgangssignal anspricht zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals, das die Winkelgeschwindigkeit des Körpers um eine Achse darstellt, die zur Ebene der kraftempfindlichen Achsen und zur Vibrierrichtung senkrecht ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vibration im Winkel erfolgt (Fig. 10, 11).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vibration im wesentlichen geradlinig erfolgt (Fig. 12).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß die Vibrationseinrichtung (356, 358; 378, 380) den ersten und den zweiten Beschleunigungsmesser derart vibriert, daß die translatorischen Komponenten der Vibration im wesentlichen gleich groß und entgegengesetzt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß der erste und der zweite Beschleunigungsmesser (300; 302) durch die Ausrichteinrichtung (304) derart ausgerichtet sind, daß die erste und die zweite kraft-

1 2
empfindliche Achse (A ; A ) zur Achse (Z) der Winkel-

Li Lj

vibration parallel sind (Fig. 1).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und die zweite kraftempfindliche Achse (A ; A ) zur Achse (Z) der Winkelvibration im wesent-

L* Lt

liehen gleiche Abstände haben (Fig. 10).
7. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Beschleunigungsmesser (310; 312) durch die Ausrichteinrichtung derart ausgerichtet sind, daß die erste und die zweite kraf tempf ind-

1 2 liehe Achse (A ; A ) entgegengesetzt und im wesentliehen koaxial sind (Fig. 11).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Achse (Z) der Winkelvibration zu der ersten und

1 der zweiten kraftempfindlichen Achse (A ; A) senkrecht und zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsmesser (310; 312) angeordnet ist (Fig. 11).
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Winkelvibration von Maximum zu Maximum etwa 50 mrad beträgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3, d'adurch gekenn zeichnet,

daß der erste und der zweite Beschleunigungsmesser (320; 322) durch die Ausrichteinrichtung (362) derart ausgerichtet sind, daß die erste und die zweite kraft-

1 empfindliche Achse (A ; A) entgegengesetzt und im wesentlichen koaxial sind (Fig. 12).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Amplitude der Vibration von Maximum zu Maximum etwa 2 mm beträgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet

durch eine Vorverarbeitungseinrichtung (406), die zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsmesser (390, 392) und der Signalverarbeitungseinrichtung (402, 404) angeschlossen ist zur Einspeisung der Summe aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal in die Signalverarbeitungseinrichtung (404).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorverarbeitungseinrichtung (406) die Differenz aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal in die Signalverarbeitungseinrichtung (402, 404) einspeist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Signalverarbeitungseinrichtung aufweist: eine auf das erste und das zweite Ausgangssignal ansprechende Kraftkanaleinrichtung (402) zur Erzeugung eines die Beschleunigung der Vorrichtung längs der kraftempfindlichen Achsen darstellenden Kraftsignals und eine auf das erste und das zweite Ausgangssignal ansprechende Geschwindigkeitskanaleinrichtung (404) zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals (Fig. 19).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14,
gekennzeichnet

durch eine Vor-Abtrenneinrichtung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsmesser und der Signalverarbeitungseinrichtung angeschlossen ist zur Kombination des ersten und des zweiten Ausgangssignals zu einem ersten Kombinationssignal zur Einspeisung in die Kraftkanaleinrichtung (402) und zur Kombination des ersten und des zweiten Ausgangssignals zu einem zweiten Kombinationssignal zur Einspeisung in die Geschwindigkeitskanaleinrichtung (404) (Fig. 20).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und die zweite kraftempfindliche Achse in derselben Richtung ausgerichtet sind, daß das erste Kombinationssignal funktionell auf die Summe aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist, und

daß das zweite Kombinationssignal funktionell auf die Differenz aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und die zweite kraftempfindliche Achse in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet sind, daß das erste Kombinationssignal funktionell auf die Differenz aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist, und

daß das zweite Kombinationssignal funktionell auf die Summe aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine Geschwindigkeitskanaleinrichtung aufweist zur Erzeugung des Geschwindigkeitssignals in Abhängigkeit vom ersten und vom zweiten Ausgangssignal,
wobei die Geschwindigkeitskanaleinrichtung enthält:

eine Vorzeichenumschalteinrichtung zur Multiplikation des ersten und des zweiten Ausgangssignals mit einer UJ -periodischen Funktion mit Mittelwert Null, eine Geschwindigkeitsintegriereinrichtung, die mit der Multipliziereinrichtung verbunden ist, zur Erzeugung eines geschwindigkeitsintegrierten Signals, das die Integration des resultierenden Produkts aus der periodischen Funktion und dem ersten sowie dem zweiten Ausgangssignal über der Zeitdauer T der Frequenz OJ wiedergibt und

eine Geschwindigkeitsabtasteinrichtung, die auf das geschwindigkeitsintegrierte Signal anspricht zur Erzeugung des Geschwindigkeitssignals.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18,
gekennzeichnet

durch eine Signalquelle,mit der Frequenzsignale W _} die mit der Vibrationseinrichtung und mit der Signalverarbeitungseinrichtung verbunden ist, wobei die Abweichung der Frequenz OJ kleiner als 1 ppm ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Frequenzsignalquelle eine kristallgesteuerte Signalquelle ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Signalverarbeitungseinrichtung zusätzlich eine Kraftkanaleinrichtung (402) aufweist zur Erzeugung eines Kraftsignals, das die Beschleunigung der Vorrichtung längs der kraftempfindlichen Achsen darstellt, wobei die Kraftkanaleinrichtung aufweist.

eine Kraftintegriereinrichtung zum periodischen Integrieren des ersten und des zweiten Ausgangssignals über der Zeitdauer T bei der Frequenz OJ zur Erzeugung eines integrierten Kraftsignals F und eine Kraftabtasteinrichtung, die auf das integrierte Kraftsignal anspricht zur Erzeugung des Kraftsignals.
22. Vorrichtung nach Anspruch 19,
gekennzeichnet

durch eine Quelle für Integratorsteuerimpulse, die mit der Geschwindigkeitsintegriereinrichtung und der Kraftintegriereinrichtung verbunden ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 18,
gekennzeichnet

durch eine Vor-Abtrenneinrichtung (406), die zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsmesser (390; 392) und der Multipliziereinrichtung angeschlossen ist zur Kombination des ersten und des zweiten Ausgangssignals zu einem Kombinationssignal zur Eingabe in die Multipliziereinrichtung.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und die zweite kraftempfindliche Achse in derselben Richtung ausgerichtet sind und

3Α32Ί

daß das Kombinationssignal funktionell auf die Differenz aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und die zweite kraftempfindliche Achse in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind und daß das Kombinationssignal funktionell auf die Summe aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 21,
gekennzeichnet

durch eine Vor-Abtrenneinrichtung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Beschleunigungsmesser, der Multipliziereinrichtung und der Kraftintegriereinrichtung angeschlossen ist zur Kombination des ersten und des zweiten Ausgangssignals zu einem ersten Kombinationssignal zur Eingabe in die Multipliziereinrichtung und zur Kombination des ersten und des zweiten Ausgangssignals zu einem zweiten Kombinationssignal zur Eingabe in die Kraftintegriereinrichtung.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und die zweite kraftempfindliche Achse in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet sind, daß das erste Kombinationssignal funktionell auf die Summe aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist und

daß das zweite Kombinationssignal funktionell auf die Differenz aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und die zweite kraftempfindliche Achse in derselben ausgerichtet sind,

daß das erste Kombinationssignal funktionell auf die Differenz aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist und

daß das zweite Kombinationssignal funktionell auf die Summe aus dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal bezogen ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet

durch einen Meßwertgeber zur Erzeugung eines Gebersignals, das die Geschwindigkeit der ersten und der zweiten Beschleunigungsmesser in Richtung der Vibration darstellt und

durch eine auf das Gebersignal ansprechende Servoeinrichtung zur Steuerung der Amplitude der Vibration.
30. Vorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet ,

durch einen Meßwertgeber zur Erzeugung eines Gebersignals, das den Ort des ersten und des zweiten Beschleunigungsmessers in Richtung der Vibration darstellt und durch eine auf das Gebersignal ansprechende Servoeinrichtung zur Steuerung der Amplitude der Vibration.
31. Beschleunigungsmesseranordnung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit,

gekennzeichnet

durch ein Gehäuse (330; 350),

- durch eine im Gehäuse (330; 350) drehbar gelagerte Welle (340; 348),

durch einen an der Welle (340; 348) befestigten Träger (304; 314),

12 12 durch zwei Beschleunigungsmesser (A , k ; A . A), von

Z Lt Λ Λ

denen jeder am Träger (304; 314) befestigt ist, und durch eine Vibrationseinrichtung (342, 344; 356, 358) zum drehenden Vibrieren der Welle (340; 348) mit einer gegebenen Winkelamplitude um deren Achse (Fig. 16, 17).
32. Anordnung nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet,

1 2 daß die Beschleunigungsmesser (A ; A ) am Träger (304) derart befestigt sind, daß die kraftempfindliche Achse

1 2 jedes Beschleunigungsmessers (A , A ) zur Welle (340)

it Lt

parallel ist (Fig. 16) .
33. Anordnung nach Anspruch 31,

dadurch gekennzeichnet,

1 2 daß die Beschleunigungsmesser (A , A ) am Träger (314) derart befestigt sind, daß die kraftempfindlichen Achsen jedes Beschleunigungsmessers (A , A ) zueinander parallel und zur Welle (348) senkrecht sind(Fig. 17).
34. Anordnung nach Anspruch 31,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Vibrationseinrichtung einen Elektromotor aufweist, dessen Rotor (342; 356) an der Welle (340; 348) und dessen Stator (344; 358) am Gehäuse (330; 350) befestigt sind.
35. Anordnung nach Anspruch 34,
gekennzeichnet

durch einen zwischen der Welle (340; 348) und dem Gehäuse (330; 350) angeschlossenen Meßwertgeber (346; 360) (Fig.16, 17).
36. Beschleunigungsmesseranordnung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit,

gekennzeichnet

durch ein Gehäuse (364) ,

durch eine im Gehäuse (364) drehbar gelagerte Welle (372),

durch einen ersten Träger,

durch einen am ersten Träger befestigten ersten Beschleunigungsmesser (A ),

durch ein Biegeelement (366) zur Befestigung des ersten Trägers am Gehäuse (364) derart, daß der erste Beschleunigungsmesser (A ) senkrecht zur Welle (372) bewegbar ist,
durch einen zweiten Träger,

durch einen am zweiten Träger befestigten zweiten Be-

2
schleunigungsmesser (A ),

durch ein zweites Biegeelement (368) zur Befestigung des zweiten Trägers am Gehäuse derart, daß der zweite Beschleunigungsmesser (A ) senkrecht zur Welle (372) bewegbar ist,

durch eine Vibrationseinrichtung (378, 380) zur drehenden Vibration der Welle (372) und durch ein Gestänge (370), das zwischen der Welle (372) und dem ersten sowie dem zweiten Träger angeschlossen

1 2 ist zur Vibration der Beschleunigungsmesser (A , A) längs einer zur Welle (372) im wesentlichen senkrechten Achse (Fig. 18).
37. Anordnung nach Anspruch 36,
dadurch gekennzeichnet,

daß die kraftempfindlichen Achsen der Beschleunigungs-

1 2
messer (A , A ) parallel sind.
38. Anordnung nach Anspruch 37, gekennzeichnet

durch einen Elektromotor, dessen Rotor (378) an der Welle (372) und dessen Stator (380) am Gehäuse (364) befestigt sind (Fig. 18).
39. Anordnung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gestänge (370) erste und zweite Gestängeglieder aufweist, die an der Welle (372) befestigt und am ersten bzw. am zweiten Träger angeordnet sind (Fig. 18).