DE4213500A1 - Vertical sensor for stabilised platforms - uses Schuler tuning of system contg. outer frame, angle sensor, amplifier and torque generator. - Google Patents

Vertical sensor for stabilised platforms - uses Schuler tuning of system contg. outer frame, angle sensor, amplifier and torque generator.

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Abstract

The sensor has an external frame (20) rotatable in a housing, and an inner frame (12) with an imbalance rotatable in the outer frame. An inertial wt. (26) can rotate in the inner frame. Angle sensors (34,42) detect rotation of the inner frame wrt. the inertial wt. and outer frame. Torque generators (24,50) on the outer frame and sensor housing are driven by the amplified (36,52) signals of the first and second angle sensors respectively. The system contg. the outer frame, angle sensor, amplifier and torque generator is tuned to the Schuler period. USE/ADVANTAGE - For use with stabilised platforms on vehicle or as neural prosthesis. Simple vertical sensor system operates independently of acceleration.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lotsensor, der mit einem auf die Schulerperiode abgestimmten Pendel arbeitet.The invention relates to a plumbing sensor with one on the Schuler period coordinated pendulum works.

Bei vielen Anwendungen werden Lotsensoren benötigt, welche den Roll- und Nickwinkel eines Trägers anzeigen. Ein einfaches Pendel stellt sich nicht nach dem wahren Lot sondern bei Auftreten von Beschleunigungen nach dem Scheinlot ein. Zur beschleunigungsunabhängigen, hochgenauen Messung des Nick- und Rollwinkels sind Systeme mit Schuler-Abstimmung bekannt. Solche Systeme verhalten sich wie ein mathematisches Pendel, dessen Länge gleich dem Erdradius ist.In many applications, solder sensors are required which Show roll and pitch angles of a wearer. An easy Pendulum does not act according to the true plumb bob but instead Accelerations occur after the false solder. For acceleration-independent, highly accurate measurement of the pitch and Roll angles are known systems with Schuler coordination. Such systems behave like a mathematical pendulum, whose length is equal to the earth's radius.

Die Schwingungszeit eines Pendels ist bekanntlichThe oscillation time of a pendulum is known

Wenn die Pendellänge gleich dem Erdradius R = 6 400 000 m und die Erdbeschleunigung g = 10 m/s ist, dann liefert die vorstehende Beziehung die bekannte Schuler-Periode von etwa 84 Minuten. Ein solches Pendel zeigt stets die Lotrichtung an unabhängig von Bewegungen und Beschleunigungen des Aufgängepunktes entlang der Erdoberfläche.If the pendulum length is equal to the earth radius R = 6 400 000 m and the acceleration due to gravity is g = 10 m / s, then it delivers above relationship the known Schuler period of about 84 Minutes. Such a pendulum always shows the plumb direction regardless of movements and accelerations of the Point of rise along the surface of the earth.

Ein System mit Schuler-Abstimmung ist nach dem Stand der Technik eine kreiselstabilisierte Plattform. Eine solche kreiselstabilisierte Plattform bildet ein hochgenaues Lagereferenzsystem. Ein mathematisches und ein physikalisches Pendel gleicher Schwingungszeit verhalten sich äquivalent. A system with Schuler coordination is based on the state of the Technology a gyro-stabilized platform. Such Gyro-stabilized platform forms a highly precise Position reference system. A mathematical and a physical Pendulums with the same oscillation time behave in an equivalent way.  

Auch eine Plattform mit Schuler-Abstimmung wird daher von Beschleunigungen auf der Erdoberfläche nicht beeinflußt.A platform with a Schuler vote is therefore also from Accelerations on the earth's surface are not affected.

Kreiselstabilisierte Plattformen sind komplexe, aufwendige und daher sehr teure Geräte. Solche Plattformen sind daher bei vielen Anwendungen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, mobilen Robotern, bei Neuroprothesen usw. aus Kostengründen nicht einsetzbar.Gyro-stabilized platforms are complex, complex and therefore very expensive devices. Such platforms are therefore at many applications, for example in motor vehicles, mobile Robots, neuroprostheses, etc. not for cost reasons applicable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach aufgebauten, beschleunigungsunabhängigen Lotsensor zu schaffen.The invention has for its object a simple built-up, acceleration-independent plumb sensor create.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durchAccording to the invention, this object is achieved by

  • a) einen Außenrahmen, der in einem Sensorgehäuse um eine Achse drehbar gelagert ist,a) an outer frame in a sensor housing by a Axis is rotatably mounted,
  • b) einen Innenrahmen, der
    • - um eine Achse drehbar in dem Außenrahmen gelagert ist und
    • - eine Unwucht in bezug auf die Achse aufweist,
    b) an inner frame which
    • - Is rotatably mounted about an axis in the outer frame and
    • - has an imbalance with respect to the axis,
  • c) eine träge Masse, die in dem Innenrahmen um die Achse drehbar gelagert und in bezug auf diese Achse ausgewuchtet ist,c) an inertial mass in the inner frame around the axis rotatably supported and balanced with respect to this axis is
  • d) einen ersten Winkelabgriff, der auf die Auslenkung des Innenrahmens gegenüber der trägen Masse anspricht,d) a first angle tap, which is based on the deflection of the Inner frame appeals to the inertial mass,
  • e) einen ersten Drehmomenterzeuger, der an dem Außenrahmen angeordnet ist, an dem Innenrahmen angreift und von dem Abgriffsignal des ersten Winkelabgriffs über Verstärkermittel beaufschlagt ist, e) a first torque generator on the outer frame is arranged, engages the inner frame and from which Tap signal of the first angle tap via Amplifier means is acted upon,  
  • f) einen zweiten Winkelabgriff, der auf die Auslenkung des Innenrahmens gegenüber dem Außenrahmen anspricht, undf) a second angle tap based on the deflection of the Appeals inner frame to the outer frame, and
  • g) einen zweiten Drehmomenterzeuger, der an dem Sensorgehäuse angeordnet ist, an dem Außenrahmen und von dem Signal des zweiten Winkelabgriff über Verstärkermittel beaufschlagt ist,g) a second torque generator on the sensor housing is arranged on the outer frame and from the signal of the second angle tap applied via amplifier means is
  • h) wobei das von dem Außenrahmen und seiner elektrischen Fesselung durch Winkelabgriff, Verstärkermittel und Drehmomenterzeuger gebildete System auf die Schuler­ periode abgestimmt ist.h) being that of the outer frame and its electrical Restraint by angle tap, reinforcement means and Torque generator system formed on the shoulders period is coordinated.

Der erfindungsgemäße Lotsensor arbeitet ohne Kreisel. Eine Stabilisierung des Außenrahmens erfolgt über einen Winkelbeschleunigungsmesser mit der trägen Masse. Durch die Unwucht spricht der Innenrahmen auf Linearbeschleunigungen an, übernimmt also die Funktion eines Beschleunigungsmessers. Durch die Abstimmung auf die Schuler-Periode von etwa 84 min wird die Ausrichtung des Außenrahmens nach dem wahren Lot nicht durch Newtonsche Beschleunigungen längs der Erdoberfläche beeinflußt. Ein physikalisches Pendel mit der Schuler-Abstimmung verhält sich wie ein mathematisches Pendel von gleicher Schwingungsdauer.The solder sensor according to the invention works without a gyro. A The outer frame is stabilized via a Angular accelerometer with the inertial mass. Through the The inner frame responds to linear accelerations, thus takes on the function of an accelerometer. By coordinating the Schuler period of about 84 min the orientation of the outer frame according to the true solder not by Newtonian accelerations along the Earth's surface affected. A physical pendulum with the Schuler coordination behaves like a mathematical pendulum of the same period of oscillation.

Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet es, Neigungswinkel gegenüber dem wahren Lot zu messen durch einen dritten Winkelabgriff, der auf die Auslenkung des Außenrahmens gegenüber dem Sensorgehäuse anspricht.The arrangement according to the invention allows inclination angles to measure against the true solder by a third Angular tap on the deflection of the outer frame responsive to the sensor housing.

Weiterhin kann das Ausgangssignal der vorn Abgriffsignal des ersten Winkelabgriffs beaufschlagten Verstärkermittel zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals auf integrlerende Mittel aufgeschaltet sein. Das Ausgangssignal der Verstärkermittel ist nämlich proportional der Beschleunigung. Furthermore, the output signal of the front tap signal of the first angle tap applied amplifier means for Generation of a speed signal on integrlerende Means be activated. The output signal of the The amplifier means is proportional to the acceleration.  

Ein solches System läßt sich mikrominiaturisieren. Es können dann kleine Sensoren für vielfältige Anwendungen geschaffen werden.Such a system can be microminiaturized. It can then small sensors created for diverse applications will.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the invention is below Reference to the accompanying drawings explained in more detail.

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines von Beschleunigungen längs der Erdoberfläche unabhängigen Lotsensors. Fig. 1 is a schematic perspective view of a accelerations along the surface of the earth independent Lotsensors.

Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung in stark vergrößertem Maßstab eines mit Lotsensoren nach Fig. 1 aufgebauten "Gleichgewichtsorgans". FIG. 2 is a schematic, perspective illustration on a greatly enlarged scale of an "equilibrium organ" constructed with solder sensors according to FIG. 1.

In Fig. 1 ist mit 12 ein innerer Rahmen bezeichnet, der eine außeraxiale Masse oder Unwucht 14 trägt. Der Rahmen 12 ist mit einer Welle 16 um eine Achse 18 in einem äußeren Rahmen 20 gelagert. Auf der einen Seite ist die Welle 16 in einem Lager 22 des äußeren Rahmens 20 gelagert. Auf der anderen Seite ist die Welle mit dein Rotor eines am Rahmen 20 auf der Achse 18 sitzenden Drehmomenterzeugers 24 verbunden. In dem Rahmen 12 ist eine träge Masse 26 ausgewuchtet in bezug auf die Achse 18 in Lagern 28 und 30 gelagert. Die Masse 26 ist mit einer Welle 32 in dem Rahmen 12 um die Achse 18 drehbar gelagert. Ein erster Winkelabgriff 34 spricht auf eine Verdrehung des Rahmens 12 und damit des Pendels 10 um die Achse 18 relativ zu der Masse 26 an. Das Signal des ersten Winkelabgriffs 34 ist über einen Verstärker 36 auf den Drehmomenterzeuger 24 aufgeschaltet.In Fig. 1, 12 denotes an inner frame which carries an off-axis mass or unbalance 14 . The frame 12 is mounted with a shaft 16 about an axis 18 in an outer frame 20 . On one side, the shaft 16 is mounted in a bearing 22 of the outer frame 20 . On the other hand, the shaft is connected to the rotor of a torque generator 24 seated on the frame 20 on the axis 18 . In the frame 12 , an inertial mass 26 is balanced with respect to the axis 18 in bearings 28 and 30 . The mass 26 is mounted with a shaft 32 in the frame 12 so as to be rotatable about the axis 18 . A first angle tap 34 responds to a rotation of the frame 12 and thus of the pendulum 10 about the axis 18 relative to the mass 26 . The signal of the first angle tap 34 is applied to the torque generator 24 via an amplifier 36 .

Das Ausgangssignal des Verstärkers 36 ist gleichzeitig auf einen Integrator 38 aufgeschaltet. Das Ausgangssignal des Integrators 38 liegt an einem Geschwindigkeits-Ausgang 40.The output signal of the amplifier 36 is simultaneously applied to an integrator 38 . The output signal of the integrator 38 is at a speed output 40 .

Ein zweiter Winkelabgriff 42 spricht auf eine Auslenkung des Rahmens 12 relativ zu dem äußeren Rahmen 20 an. Der äußere Rahmen 20 ist mittels einer Welle 44 im Sensorgehäuse 46 um die Achse 18 drehbar gelagert. Auf der einen Seite ist die Welle 44 in einem Lager 48 gelagert. Auf der anderen Seite ist die Welle 44 mit dem Rotor eines Drehmomenterzeugers 50 verbunden. Der Drehmomenterzeuger 50 sitzt an dem Sensorgehäuse 46. Der Winkelabgriff 42 steuert über einen Verstärker 52 den am Sensorgehäuse 46 sitzenden Drehmomenterzeuger 50 an. Der Drehmomenterzeuger 50 fesselt den äußeren Rahmen 20 elektrisch an den inneren Rahmen 12.A second angle tap 42 responds to a deflection of the frame 12 relative to the outer frame 20 . The outer frame 20 is rotatably mounted about the axis 18 in the sensor housing 46 by means of a shaft 44 . On one side, the shaft 44 is supported in a bearing 48 . On the other hand, the shaft 44 is connected to the rotor of a torque generator 50 . The torque generator 50 is seated on the sensor housing 46 . The angle tap 42 controls the torque generator 50 seated on the sensor housing 46 via an amplifier 52 . The torque generator 50 electrically ties the outer frame 20 to the inner frame 12 .

Ein dritter Winkelabgriff 54 sitzt an dem Gehäuse 46 und greift die Drehbewegung zwischen dem äußeren Rahmen 20 und dem Sensorgehäuse 46 ab. Der dritte Winkelabgriff 54 liefert an einem Ausgang 56 ein Winkelsignal.A third angle tap 54 sits on the housing 46 and picks up the rotary movement between the outer frame 20 and the sensor housing 46 . The third angle tap 54 supplies an angle signal at an output 56 .

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:The arrangement described works as follows:

Die träge Masse 26 mit dem Rahmen 12, dem Abgriff 34 und dem Drehmomenterzeuger 24 wirkt einmal als Drehbeschleunigungsmesser. Bei einer Drehbewegung des Sensorgehäuses 46 um die Achse 18 wird der Innenrahmen 12 an die träge Masse 26 und der Außenrahmen 20 an den Innenrahmen 12 elektrisch gefesselt. Der Außenrahmen 20 ist daher um die Achse 18 stabilisiert.The inert mass 26 with the frame 12 , the tap 34 and the torque generator 24 once acts as a rotational accelerometer. During a rotary movement of the sensor housing 46 about the axis 18 of the inner frame is electrically tied 12 to the inertial mass 26 and the outer frame 20 to the inner frame 12th The outer frame 20 is therefore stabilized about the axis 18 .

Durch die Unwucht 14 ist der Innenrahmen 12 empfindlich gegen Linearbeschleunigungen A in Richtung des Pfeiles 58, im Gegensatz zu der ausgewuchteten Masse 26. In dem Mitkopplungskreis mit dem Verstärker 36 tritt damit ein Signal auf, das proportional der Beschleunigung A ist. Dieses Beschleunigungssignal am Ausgang des Verstärkers 36 wird durch den Integrator 38 integriert und liefert ein Geschwindigkeitssignal am Ausgang 40.Due to the unbalance 14 , the inner frame 12 is sensitive to linear accelerations A in the direction of the arrow 58 , in contrast to the balanced mass 26 . A signal which is proportional to the acceleration A thus occurs in the positive feedback circuit with the amplifier 36 . This acceleration signal at the output of the amplifier 36 is integrated by the integrator 38 and supplies a speed signal at the output 40 .

Das System des Außenrahmens 20 mit seiner elektrischen Fesselung über den Winkelabgriff 42, den Verstärker 52 und den Drehmomenterzeuger 50 ist auf die Schuler-Periode, also auf eine Schwingungsperiode von etwa 84 min abgestimmt. Infolge dieser Schuler-Abstimmung ist der Außenrahmen 20 unempfindlich gegen Beschleunigungen längs der Erdoberfläche. Der Außenrahmen 20 stellt sich auch bei Auftreten solcher Beschleunigungen nicht in ein Scheinlot sondern in das wahre Lot ein. Der Winkelabgriff 54 zeigt dann die Lage des Sensorgehäuses relativ zum Lot, also Nick- oder Rollwinkel.The system of the outer frame 20 with its electrical attachment via the angle tap 42 , the amplifier 52 and the torque generator 50 is matched to the Schuler period, that is to say to an oscillation period of approximately 84 minutes. As a result of this Schuler vote, the outer frame 20 is insensitive to accelerations along the earth's surface. Even when such accelerations occur, the outer frame 20 does not adjust to a false solder but to the true solder. The angle tap 54 then shows the position of the sensor housing relative to the perpendicular, that is to say pitch or roll angle.

Eine solche Anordnung kann durch Mikromechanik und Mechatronik Mikrominiaturisiert werden. Es ergeben sich dann Sensoren, die als sehr kleine Bauteile ausgeführt sind.Such an arrangement can be achieved through micromechanics and mechatronics Microminiaturized. Then there are sensors that are designed as very small components.

In Fig. 2 ist eine aus zwei Sensoren 60 und 62 und einem Mikroelektronikchip 64 aufgebautes "Gleichgewichtsorgan". In einem Fahrzeug können dann die Nick- und Rollwinkel um die Fahrzeugquersachse 66 bzw. Fahrzeuglängsachse 68 gemessen werden. Außerdem werden die Geschwindigkeitskomponenten in Richtung der Fahrzeuglängsachse 68 und der Fahrzeugquerachse 66 erhalten. Aus diesen Komponenten kann der Mikroelektronikchip 64 den Absolutbetrag der Geschwindigkeit über Grund berechnen. FIG. 2 shows an "equilibrium organ" made up of two sensors 60 and 62 and a microelectronic chip 64 . The pitch and roll angles about the vehicle transverse axis 66 or vehicle longitudinal axis 68 can then be measured in a vehicle. In addition, the speed components in the direction of the vehicle longitudinal axis 68 and the vehicle transverse axis 66 are obtained. From these components, the microelectronic chip 64 can calculate the absolute amount of the speed over ground.

Ein solches künstliches Gleichgewichtsorgan kann in Neuroprothesen Verwendung finden.Such an artificial organ of balance can be found in Find neuroprostheses.

Claims (5)

1. Lotsensor mit Schuler-Abstimmung, gekennzeichnet durch
  • a) einen Außenrahmen (20), der in einem Sensorgehäuse (46) um eine Achse (18) drehbar gelagert ist,
  • b) einen Innenrahmen (12), der
    • - um eine Achse (18) drehbar in dem Außenrahmen (20) gelagert ist und
    • - eine Unwucht (14) in bezug auf die Achse (18) aufweist,
  • c) eine träge Masse (26), die in dem Innenrahmen (12) um die Achse (18) drehbar gelagert und in bezug auf diese Achse (18) ausgewuchtet ist,
  • d) einen ersten Winkelabgriff (34), der auf die Auslenkung des Innenrahmens (12) gegenüber der trägen Masse (26) anspricht,
  • e) einen ersten Drehmomenterzeuger (24), der an dem Außenrahmen (20) angeordnet ist, an dem Innenrahmen (12) angreift und von dem Abgriffsignal des ersten Winkelabgriffs (34) über Verstärkermittel (36) beaufschlagt ist,
  • f) einen zweiten Winkelabgriff (42), der auf die Auslenkung des Innenrahmens (12) gegenüber dem Außenrahmen (20) anspricht, und
  • g) einen zweiten Drehmomenterzeuger (50), der an dem Sensorgehäuse (46) angeordnet ist, an dem Außenrahmen (20) und von dem Signal des zweiten Winkelabgriffs (42) über Verstärkermittel (52) beaufschlagt ist,
  • h) wobei das von dem Außenrahmen (20) und seiner elektrischen Fesselung durch Winkelabgriff (42), Verstärkermittel (52) und Drehmomenterzeuger (50) gebildete System auf die Schuler-Periode abgestimmt ist.
1. Lot sensor with Schuler vote, characterized by
  • a) an outer frame ( 20 ) which is rotatably mounted about an axis ( 18 ) in a sensor housing ( 46 ),
  • b) an inner frame ( 12 ), the
    • - Is rotatable about an axis ( 18 ) in the outer frame ( 20 ) and
    • - has an imbalance ( 14 ) with respect to the axis ( 18 ),
  • c) an inert mass ( 26 ) which is rotatably mounted in the inner frame ( 12 ) about the axis ( 18 ) and is balanced with respect to this axis ( 18 ),
  • d) a first angle tap ( 34 ) which responds to the deflection of the inner frame ( 12 ) with respect to the inertial mass ( 26 ),
  • e) a first torque generator ( 24 ) which is arranged on the outer frame ( 20 ), engages on the inner frame ( 12 ) and is acted upon by the tapping signal of the first angle tap ( 34 ) via amplifier means ( 36 ),
  • f) a second angle tap ( 42 ) which responds to the deflection of the inner frame ( 12 ) relative to the outer frame ( 20 ), and
  • g) a second torque generator ( 50 ) which is arranged on the sensor housing ( 46 ), on the outer frame ( 20 ) and is acted upon by the signal of the second angle tap ( 42 ) via amplifier means ( 52 ),
  • h) wherein the system formed by the outer frame ( 20 ) and its electrical restraint by means of an angle tap ( 42 ), amplifier means ( 52 ) and torque generator ( 50 ) is matched to the Schuler period.
2. Lotsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dritten Winkelabgriff (54), der auf die Auslenkung des Außenrahmens (20) gegenüber dem Sensorgehäuse (46) anspricht.2. Lot sensor according to claim 1, characterized by a third angle tap ( 54 ) which responds to the deflection of the outer frame ( 20 ) relative to the sensor housing ( 46 ). 3. Lotsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der vom Abgriffsignal des ersten Winkelabgriffs (34) beaufschlagten Verstärkermittel (36) zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals auf integrierende Mittel (38) aufgeschaltet ist.3. Lot sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the output signal of the tap signal of the first angle tap ( 34 ) acted upon amplifier means ( 36 ) for generating a speed signal is applied to integrating means ( 38 ). 4. Lotsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er als mikrominiaturisierter Bauteil (60, 62) hergestellt ist.4. Lot sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that it is manufactured as a microminiaturized component ( 60 , 62 ). 5. Lotsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Pendel (10), die um zueinander senkrechte Achsen drehbar gelagert sind mit einem Mikroelektronikchip (64) zu einem mikrominiaturisierten Sensorblock kombiniert sind, der zwei horizontale Geschwindigkeitskomponenten und zwei Neigungswinkel liefert.5. Lot sensor according to claim 4, characterized in that two pendulums ( 10 ) which are rotatably mounted about mutually perpendicular axes are combined with a microelectronic chip ( 64 ) to form a microminiaturized sensor block which provides two horizontal speed components and two inclination angles.
DE19924213500 1992-04-24 1992-04-24 Vertical sensor for stabilised platforms - uses Schuler tuning of system contg. outer frame, angle sensor, amplifier and torque generator. Granted DE4213500A1 (en)

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