DE3726958A1 - Traegerachsenfeste messeinheit fuer winkelgeschwindigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine trägerachsenfeste (strapdown-rate­ reference) Meßeinheit für die Winkelgeschwindigkeiten eines um eine Hauptachse relativ schnell rotierenden Flugkörpers (FK).

Eine sogenannte Strapdown-Referenz benötigt bekanntlich nicht die komplizierte Servomechanik einer in einem Rahmen aufgehängten Referenz, wie sie beispielsweise in der DE-OS 32 33 029 offenbart ist. Trotzdem ist der Aufwand bei der Strapdown-Referenz aufgrund der kostspieligen und aufwendigen Sensoren für die drei Rotationsbewegungen (Rollachse, 1. und 2. Querachse) noch zu hoch.

Für die Rollachse wird nämlich wegen des relativ hohen Meßbereichs und den Anforderungen an die Skalierungstreue ein nach dem Sagnac-Effekt arbeitender Sensor bevorzugt, wenn eine gute und exakt arbeitende Anordnung gefordert ist. Ein solcher Sensor wird aus einem Ringlaser gebildet, oder er kann ein Lichtleitfaser-Sensor bzw. ein mikrooptischer Resonatorlaser-Sensor sein. Es bedarf keiner Hervorhebung, daß solcher­ maßen konzipierte Sensoren für eine komplette dreiachsige Ausrüstung immer noch zu kostspielig und aufwendig sind, aber nach dem bisherigen Stand der Technik sind für übliche Strapdown-Referenzen ausreichend genaue und einfachere Winkelgeschwindigkeits-Sensoren nicht verfügbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für dreiachsige Strapdown-Referenzen eine in Aufwand und Kosten wesentlich vereinfachte Konzipierung aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird in überraschender Weise durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildun­ gen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schemabild eines schnell rotierenden FK mit Andeutung der nicht rollenden Querachse (11, 12 des FK)

Fig. 2 die mit den FK rollenden Querachsen 11′, 12′ die gegenüber den nicht rollenden Querachsen 11, 12 um Rollwinkel 17 gedreht sind.

Fig. 3 ein Schemabild der Elektronik-Platine, die die Strapdown-Refe­ renz bildet.

Für eine oder beide Querachsen 11, 12 (Fig. 1) werden statt der bisher eingesetzten "Rate-Sensoren" die erheblich leichter herstellbaren Winkelbeschleunigungssensoren 13 eingebaut und die Winkelgeschwindigkeit um die nicht rollenden, quer zur Rollachse liegenden Referenzachsen mit Hilfe eines Rechennetzwerkes bzw. Mikrokomputers (Mikrokontroller) aus den Winkelbeschleunigungen um die Querachsen 11′, 12′ berechnet und zwar wie folgt:

Rate zu Querachse 11
= (1/Roll-rate) × (-sin Rollwinkel) × Winkelbeschleunigung von 11′
+ (1/Roll-rate) × (cos Rollwinkel) × Winkelbeschleunigung von 12′;

Rate zu Querachse 12
= (1/Roll-rate) × (cos Rollwinkel) × Winkelbeschleunigung von 11′
+ (1/Roll-rate) × (sin Rollwinkel) × Winkelbeschleunigung von 12′.

Hierbei darf die Rollgeschwindigkeit (Roll-rate) durchaus variabel sein, da sie durch den Sensor der Rollachse 10 a gemessen wird. Nun ist hier jedoch zu beachten, daß die vorgeschlagene Konzeption bei extrem niedri­ ger Rollgeschwindigkeit wegen des Faktors (1/Roll-rate) nicht anwendbar ist. Bei mittleren bis hohen Rollgeschwindigkeiten wird nach den oben angegeben Gleichungen gearbeitet und bei sehr hohen Rollgeschwindigkei­ ten kann jeweils die zweite Gleichungszeile (nach dem "+") - und damit aber auch der Sensor 13 a für die Winkelbeschleunigung in der Achse 12′ - eingespart werden.

Ein nicht unwesentlicher Beitrag zur Verringerung der Fertigungskosten wird dadurch geleistet, daß als Winkelbeschleunigungsmesser sogenannte mikromechanische Winkelbeschleunigungssensoren 13, 13 a verwendet werden, die nach Art der bekannten mikromechanischen Silizium-Sensoren für Translationsbeschleunigungen mit Chip-, Masken- und Ätztechnologie mit sehr geringen Stückkosten hergestellt sind. Im vorliegenden Fall ist auch der Nutzfrequenzbereich der Sensoren mit f = Rollfrequenz ± Winkelgeschwindigkeit aus 13 und 13 a soweit eingeengt, daß ein quasista­ tionärer Nullpunktfehler der Winkelbeschleunigungssensoren 13, 13 a ohne Bedeutung ist.

Ein weiterer, die Kosten reduzierender Effekt ergibt sich bei der oben vorgeschlagenen Kombination von einem Sagnac-Effekt-Sensor 14 und den beiden mikromechanischen Winkelbeschleunigungssensoren 13, 13 a aus dem in der Fig. 2 skizzierten Aufbau der Meßeinheit in einer einzigen Vorzugsfläche. Hierbei sind auf einer Elektronik-Platine 16 die auf einem mikromechanischen Zweiachsen-Chip 17 zusammengefaßten beiden Winkelbeschleunigungssensoren 13, 13 a, der Mikrokomputer 15 und der Sagnac-Effekt-Sensor 14 angeordnet. Dadurch wird das gesamte dreiachsige Referenz-System auf ein einziges flaches Bauteil, nämlich der Elektro­ nikkarte, untergebracht.

Claims (4)

1. Trägerachsenfeste Meßeinheit für die Winkelgeschwindigkeiten eines um eine Hauptachse relativ schnell rotierenden Flugkörpers (FK) dadurch gekennzeichnet, daß in einer oder in beiden Querachsen (11, 12) des rollenden Flugkörpers 10 jeweils ein Winkelbeschleunigungssensor (13, 13 a) mit dem Rollsensor (14) des FK kombiniert ist und die Winkel­ geschwindigkeit in den Querachsen rechnerisch in einem Mikrocomputer (15) ermittelt wird.

2. Meßeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollsensor (14) ein nach dem Sagnac-Effekt arbeitender Sensor ist.

3. Meßeinheit nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß als Winkelbeschleunigungsmesser jeweils ein mikromechanischer Winkelbeschleunigungssensor (13, 13 a) für die Achsen (11, 12) auf einem Zweiachsen-Chip (17) angeordnet und mit dem Mikrokomputer (15) verbunden sind.

4. Meßeinheit nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollsensor (14), die mikromechanischen Winkelbeschleunigungssen­ soren (13, 13 a) und der Mikrokomputer (15) zusammen mit dem mikromecha­ nischen Zwei-Achsen-Chip (17) auf einer Elektronik-Platine (16) angeord­ net sind.