JPS61502841A - レ−ザ角度センサの機械的デイザ安定化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ角度センサの機械的ディザ安定化方法及び装置本発明は、一般的にレーザ 角度センサに係り、更に特にそのようなセンサにおいてレーザビームロックイン を防止するだめに使用される機械的ディザのある不利な効果を安定化させる装置 及び方法に係る。

本願は、１９８４年１月３０日に出願された米国特許出願第５７４，８４５号の 一部継続出願である１９８４年７月２５日に出願された米国特許出願第６３４， ３２４号の継続である。

背景 レーザ角度センサは、主に第１及び第２のレーザビームからなり、両ビームは回 転軸を包囲する閉じた経路に沿って相反する方向に移動する。その回転軸に関し て、センサが角度変化を検出して決定するようになっている。

その軸に関しての装置の回転は、各ビームが進行しなければならない有効経路長 を変化させ、次に２つのレーザビーム間の周波数差として検出され得る。検出さ れる周波数変化の方向及び大きさは、それぞれ検知された物理的回転の方向、及 びその回転の速度を示す。

低回転速度では、検出されたビーム周波数の違いが回転速度に対するその比例関 係を失なう。それは、しばしば、「ロック・イン」と称する現象に起因するもの であり、その現象では２つのレーザビームが単一の周波数を示す。

通常使用されるロックインの問題解決の一つの方策は、レーザセンサ装置の機械 的振動（「ディザ」）をもたらすことです。ディザは、レーザビームが受ける実 際の回転の変化の速度に加えられた場合、検出される周波数変化を臨界ロックイ ン限界以上に上昇させる。

航空機のナビゲーションの目的での実際の応用では、例えば、３個のレーザ角度 センサが、それぞれの検知軸が相互に直交するように配置され、共通のプラット フォーム又は器具ブロックにマウントされる。３個の直交した関係にある平面の 各々の回転の変化及び変化の速度を検出することによって、車輛の移動角度又は 、車輛の最初の方向からの方向の変化が、連続的に決定される。ロックインを防 ぐために、レーザ角度センサの各セットは、各々のディザ装置を有している。３ 個のセンサは、特に、共通の器具ブロックにマウントされた時に、効果的である 。しかし、そのようにした時、レーザセンサ間のディザ運動が機械的結合を受け る。このディザ運動の結合はしばしば「カップリング」と称し、重大な読み取り エラーを生じ得る。過去において、コーニング誤差の原因を除こうとして異なる レーザ角度センサからのピックオフ信号を変調する回路処理技術によって、その カップリングの問題を解決しようとする試みがなされている。

一つのそのような試みは、米国特許第４，２７７．１７３号で開示されている。

それは、３つのディザ運動における周波数差及び位相差を除去する技術に関する 。そこで開示されている技術は、以下のような広い問題は提起してはいない。

クロスディザ問題１ コーニング問題； 単一のレーザジャイロスコープがクロスディザ効果に起因してディザを起こす可 能性。

開示の概要 本発明の好ましい実施例では、４個のディザ本体が弾性的に単一の器具ブロック にマウントされ、各本体内での機械的振動運動ができるようになっている。ディ ザ本体のうち３つはリングレーザ回転角センサであり、これらは、相互に直交す る検知軸を有するようにマウントされ、各々の検知軸に関してディザ運動を有す る。第４のディザ本体は、リングレーザ回転角度センサであってもよいし、補償 質量体であってもよい。いずれのケースにおいても、第４のディザ本体は、一般 的には必ずしも必要ではないが３つの回転角センサの検知軸に対して等しい角度 となるよう配向し、他の３つの回転角センサとの力学的平衡を満足し、それによ って器具ブロックにモーメントが作用して力学的回転運動をしないようにする。

好ましくは、４個のディザ本体の質量及び力学的平衡は、４個のディザ本体を実 質的に等しい質量を持つように設計し、かつ、それらの本体が実質的に等しい周 波数位相、及び選択された振幅を有するディザ振動運動で駆動されるようにそれ らの本体をディザ機構にマウントすることによって、達成される。実質的に等し い周波数の振動運動は、４個のディザ機構が実質的に等しい固有共振振動数を有 するように設計し、かつそれらのディザ機構をその周波数で駆動することによっ て達成されます。ディザ本体の運動における実質的に等しい位相は、正弦波発振 器等の単一の電源を用い、かつディザ機構を実質的に同相で駆動することによっ て達成される。最後に、力学的平衡は、４個のディザ本体の回転モーメントのベ クトル和が実質的にゼロとなるように、それらの各々のディザ本体による振動運 動の振幅を個々に発生するよう、ディザ駆動信号の振幅を選択することによって 達成されます。

この力学的平衡は、ディザ機構を実質的に等しい周波数、実質的に等しい位相及 び選択された振幅を有する信号で駆動し続けることによシ、ある期間にわたって 、維持される。

ディザされたリングレーザ回転角センサは米国特許第３．３７３，６５０号、及 び第３，４６７，４７２号で開示されている。

一つのタイプの公知のディザ機構は、湾曲部とその湾曲部にマウントされた圧電 部材とから成る。各センサ又は各センサと補償質量体はそのようなディザ機構上 にマウントされ、ディザ運動させられる。

しかし、好ましい実施例は、本発明の範囲内にあるリングレーザ回転角センサの 試みのコーニングの問題に対する解決の一つの符号のケースである。

図面の説明 第１図は、開示の方法及び装置に従って安定化された３個のレーザ角度センサを 示す器具ブロックのり面図である。

第２図は、第１図の器具ブロックの平面図である。

第３図は、第１図の装置に作用する関連する運動及びモーメントを示す略図であ る。

第４図は、補償質量ディザ制御の機能的ブロック図である。

好ましい実施例の説明 図面、特に、第１図及び第２図を参照すると、−片の用具ブロック１０が３つの 平坦な表面１１〜１３を含むように見え、その３つの表面は相°互に直交するよ うに正確に配置された平坦な表面であシ、それぞれ略式形態でのみ示されている ３個の別個のレーザ角度センサ１４〜１６のだめのマウントとしての働きをする 。用具ブロック１０は、例えば、用具ブロック、及びその上にマウントされるリ ングレーザ角度センサを航空機又は他の運動をモニタすべき車輛に取り付けるだ めの３脚、アイソレータ、又は脚部１７〜１９を有する。即ち、３個の角度セン サは、全て共通の基台又は用具ブロック１０上にマウントされ、各々はそのマウ ントされている表面の平面に直交する軸に関しての移動角度を検知する。そのよ うな３個の角度センサの組合せによって、用具ブロック及・びその上にマウント されたセンサを支持する車輛は、３次元的に動作可能であり、３次元のいずれに ついてなされた車輛のいずれの運動も−又はそれ以上のセンサによって検知され る。

通常の方法では、各リングレーザセンサ１４〜１６は、検知軸のまわりの閉じた 経路に沿った各々相反する方向に伝播する一対のレーザビーム、及びセンサが受 けたその検知軸に関しての角運動に応答してレーザビームの周波数変化を決定す るだめの手段を含む。更に開示の方法及び装置の応用のための予備的要件として 、各レーザセンサは、それぞれレーザビーム発生手段の機械的振動運動（ディザ ）を生じるためのディザ手段１４ａ、１５ａ、１６ａ１及び低回転速度での光ビ ームのロックインを防止又は、最小化するだめのレーザビームの伝播路に沿った 方向に用具ブロック上にマウントされた関連する検知装置が組み込まれている。

各センサは問題、即ちロック゛インを防止するためにディザされるが、３個のセ ンサのディザは、別の問題、即ち各ディザ運動を他の２個のセンサに機械的に結 合させることによるコーニングを生じる。他のセンサによって検知されたいずれ かのそのように結合されたディザの結果、センサの出力信号に誤差を生じる。

この点に関して言及した機械的ディザ手段を備えた角度センサは通常の構造及び 動作のものであり、従って、詳細には説明しない。

追加のディザ軸ＸＣは、単純化のために実線で示しだ用具ブロック上に示されて いる。回転軸Ｘｅを有するコーニング補償手段２１は、補償質量体２１、及び表 面２０に垂直でかつ３個のセンサの３つの検知軸の全てに対して同じ角度となっ ている軸に関して該質量体２１をディザするだめの手段２１ａを含む。以下に記 載する如く、補償手段の角運動量は、各センサ軸に沿う要素に分解した場合、デ ィザ角運動量と均衡していて、それによって、４つの角運動量のベクトル和とモ ーメントのベクトル和とは、共に実質的にゼロである。

分析を確実にするために、第３図の略図を参照され度い。３個のディザレーザ角 度センサは、近似的に同位相及び振幅の各々のディザモーメントＭ、　、　Ｍ、 及びＭ、を有する円筒形質量体として示されている。対応するディザ回転角はα １．α７．及びα、である。同様に、補償質量体モーメントはＭｅであり、対応 するディザ回転角はαＣである。

回転角が小さいということだけ仮定すると、用具ブロック回転、角度センサ、デ ィザモードの補償質量についての、直交座標テンソル表示での力学的運動方程式 は以下のようになる。

＋Ｋ（θｊｎｊ−αｃ）ｎｉ＋ＫｉｊθＪ−ＭＩ”　Ｍｅ　ｎ　Ｈ（１）Ｉα１ →−Ｋ（α、−〇−）＝−Ｍ、　（２）ここで θ１　＝Ｘ１に関しての用具ブロックの回転角向、！は、１，２，３゜ α、＝３個の直交する角度センサの回転角α０　＝補償質量体の回転角 Ｍ、＝ｉ番目の軸に沿ったディザ作用モーメントＭｃ＝補償ディザ質量体の補償 作用モーメントエ、ｊ＝センサ、補償質量体、及び用具ブロックを含む組立体全 体のＣ，Ｇ、　に関する慣性モーメントエ　＝角度センサのディザ軸に関しての 慣性モーメントＩｃ＝補償質量体の慣性モーメント ｎミニ直交ディザ軸に関しての補償質量体軸余弦角ＫｉＪ＝用具ブロック重心に 関しての支持システムの角度的剛性係数 Ｋ　＝単一デイザ機構の剛性係数 Ｋ　＝補償ディザ機構の剛性 支持体の弾性中心が重心に一致するということを更に仮定して、回転運動を並進 運動から確実に分離することにより、式（１）をゼロとすると、次のようになる 。

＋に一θｊｎｊ−αｃ）ｎｉ＋Ｋｉｊθｊ＝　０　（４）式（３）にｎ、を乗し 、更に（２）に加えると、次のようになる。

式（４）及び（５）は、６個の未知数θ　についての６個の同種の式と（■α、 ＋Ｉ。αｃｎｉ　）　との組になる。それらの式の定常状態解は次の通りである 。

ｏ、＝ｏ、１αｉ＋ＩＣαｃＨ１＝：Ｑ　（６）又は、 θ、＝０ 工α・＝Ｉαｎ・　（７） ｌ　ｅｅｌ 最後関係式は、また次のようになる。

即ち、ディザの全ての角運動量のベクトル和は、実質的にゼロである。その解析 を要約するために、以下の対応関係を示す。

（このことはブロックの運動がないということを意味する。）、かつ　Ｉａｔ　 十ＩＣａｃ”ｉ　＝　０　となり、更に反対にとなる。（モーメントのベクトル 和が実質的にゼロに等しくなる。）逆の関係は、前記のものと同じようにして、 以下に証明する。

条件 は、４個のディザ機構が定常用具ブロックに対して相対的に実質的に同じ固有周 波数を有する。

この結果は、コーニングとそれに起因する誤差が除去されることを立証する。

第４のディザのモーメントは、以下の式で与えられる。

ここで第４のディザ軸の別の３つのディザ軸に対する配向け、Ｙ即ち角度余弦 ＭＩ　Ｍ２　Ｍｓ に対して決定される。

前記の分析に基づくと、補償質量をディザするだめの選択的に調節可能な手段２ ２は、レーザセンサ１４〜１６のディザの機械的結合を補償するディザの規定さ れた振幅、周波数、及び位相に調節することができ、そのようにして、コーニン グエラーを除去することがなくても実質的に減少させる。

力学的方程式を得た時の最初の簡単化条件として、補償質量用のマウント平面２ ０がセンサマウント面１１〜１３と同じ角度で交わると仮定するが、こめことは 必須ではなく、相異なる平面との交差角度は異なってもよいということを強調す る。換言すると、補償質量の回転軸と各検知軸との間の角度は、同一である必要 はない。この特徴は、第１図において、もとの平面２０に対してそらされ、それ によって各平面１１〜１３に実質的に異なる角度で交わる鎖線内に補償平面を示 すことによって与えられる。

補償質量体、補償質量体ディザ振幅、周波数、若くは位相、又はそれらの組合せ を変更することは可能である。

しかしながら、最も簡単で最も直接的構造は、補償質量体をセンサの質量と同一 にし、そしてその補償質量体ディザ振幅を調節することであり、その周波数と位 相は３個のリングレーザジャイロのものと実質的にすべきである。第４図は、機 能ブロックの形態で、補償質量ディザ手段の周波数、振幅、及び位相を個別的に 調節する一般化された概略的回路を示す。

最初に言及した実施例では、用具ブロックは３つの相互に直交する平面１１〜１ ３を含み、該平面上にレーザ角度センサは、補償質量用マウント面２０が各表面 １１〜１３と同一の角度で交わるように、マウントされている。第２に言及した 実施例では、マウント面２０は表面１１〜１３と異なった角度で交わっている。

更に表面１１〜１３は相互に直交する以外の角度的配置をすることもできる。こ れは、第１図に鎖線１１′及び１２′で示す。この追加の実施例についての分析 の根拠を示す。

３個のレーザジャイロが平面１１’、１２’、及び１３内にあり、その平面は相 互に垂直でないケースについて考える。このケースは、補償質量体の回転軸と各 ディン（ａｆｆｉｎｅ　）座標系で最も良好に説明できる。アライン座標系では 、下の添字と上の添字とが共変成分、反変成分をそれぞれ指定する。先に記載し た実施例と同様の表記法を用いると、次のように書ける。

（Ｉ！−δＩ　’、−１ｎ’ｎ、）　’ａｊ＋Ｋ（ｏ’−α’）＋Ｋ（θｊ、− α）ｎ′Ｊ　ＪｅＪ　ｅ　ｊｅ 工ｔｉ＋Ｋ（α１−θ’）＝Ｍ’ ここで、慣性と剛性とが混在したテンソルは、次のように定義される。

ｙ　は、以下の式により得られる。

ここでｇ・　は、共変計量テンソル成分である。

Ｊ 傾斜したケース（即ち、１１〜１３が相互に垂直ではない）における運動方程式 は、アフィン座標を用いかつ共変成分で表記した場合、直交するケース（式（１ ）、　（２）及び（３））と代数的に等価である。相互に直交するリングレーザ ジャイロのケースへの応用を示した力学的コーニング補償は、次に、同様に傾斜 したケースについても推考できる。更に特に、あらかじめ定義されたディザ運動 のベクトル和は、実質的にゼロに等しい。あらかじめ遅れさせた角運動量のベク トル和は、ゼロである。そして、４つのディザ機構全ては、定常的用具ブロック に関して実質的に同じ固有周波数を有する。

コーニング補償手段２１は、最も一般的見地において、無差別的特性を有する質 量体、及び該質量体を先に説明した如くディザする手段を備える。補償手段２１ の特に、有益な実施例は、余分の第４のレーザセンサとディザ手段とを平坦な表 面２０上にマウントすることによって達成される。そのような構造は、開示の発 明の目的を満足するよう動作するだけでなく、余分のレーザセンサは他のレーザ センサ１４〜１６の一つが故障したとする場合には活性レーザセンサとして容易 にかつ有利に使用され得る。

第４図において、ディザ機構１４ａ、１５ａ、１．６ａ及び２１ａを振動運動す るよう駆動する電気信号を発生する一つの回路の機能的ブロック図が示されてい る。Ａｃ電源２２は、実質的に正弦波形状を有する信号を発生する発振回路を備 える。好ましくは、電源２２によって発生される信号の周波数はディザ機構１４ ａ、１５ａ１１６ａ、及び２１＆の固有共振周波数の各々に近似的に等しい。増 幅器２４ａ、ｂ、ｃ及びｄは、各々この信号を増幅して、それをディザ機構１４ ａ、１５ａ、１６ａ。

及び２ν９に印加する。好ましくは、増幅器２４ａ、ｂ。

Ｃ及びｄは、電源２２からの正弦波信号の周波数及び位相が変化しないように、 同じものとなっている。もちろん、各増幅器の利得は、各々から出力信号の特定 の振幅を規定して、それによって各ディザ機構及び各々の質量Ｍ、　、　Ｍ、　 、　Ｍ、及びＭｃ　のディザ運動の振幅を規定し、前記のコーニング効果の除去 を達成するように、個別に設定できる。

ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ 国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．検知軸（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３）に関してそれぞれ機械的にデイザされる２又は それ以上のリングレーザ角度センサ（１４、１５、１６）のデイザ相互作用を最 小化する方法であり、前記センサが該センサの角運動を検知するために共に機械 的にマウントされている方法において、前記センサに固定された軸に関する角度 的自由度を有しかつ前記検知軸に非共線となるように補償質量体を前記センサに 取り付ける過程；及び 前記補償質量体をその角度的自由度をもつた軸に関して規定の周波数、振幅、及 び位相でデイザし、個々の前記リングレーザ角度センサの前記機械的デイザによ り発生した前記センサの総角運動量を最小化する過程を含むことを特徴とするデ イザ相互作用を最小化する方法。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の方法において、少なくても−のリングレーザ角度 センサは各々、更に基台を備え、その基台に関してデイザされ、該基台は、共に マウントされ用具ブロツク（１０）を形成することを特徴とするデイザ相互作用 を最小化する方法。
3. ３．請求の範囲第１項に記載の方法において、前記リングレーザ角度センサ及び 前記補償質量体は、共通マウントブロツクにマウントされ、かつ、そのブロツク に関してデイザされることを特徴とするデイザ相互作用を最小化する方法。
4. ４．請求の範囲第１項に記載の方法において、前記センサの前記軸は直交し、か つ前記補償質量の角運動量は、前記センサのデイザの角運動量のベクトル和に等 しく、方向が反対であることを特徴とするデイザ相互作用を最小化する方法。
5. ５．共にマウントされて用具ブロツクを形成し、該ブロツクの角運動検知する複 合リングレーザ角度センサ（１４、１５、１６）であり、各センサをその検知軸 （Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）に関して規定の周波数、振幅及び位相で機械的にデイザす る手段（１４ａ、１５ａ、１６ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２２）を備える複 合リングレーザ角度センサにおいて、 前記用具ブロツクにマウントされ、前記検知軸に関しての非ゼロ方向余弦を有す る軸（Ｘｃ）に関しての制限された角度的デイザをするための補償質量、及び前 記補償質量体をその回転軸に関して規定の周波数、振幅、及び位相で機械的にデ イザして、前記リングレーザ角度センサをその前記検知軸に関してデイザするこ とに起因する前記用具ブロツクの回転運動を最小化する手段を備えたことを特徴 とするデイザ相互作用を最小化する複合リングレーザ角度センサ。
6. ６．請求の範囲第５項に記載のデバイスにおいて、前記余分のリングレーザ角度 センサは、端々基台を備え、該基台に関してデイザされ、該基台は、共にマウン トされて用具ブロツクを形成することを特徴とするデバイス。
7. ７．請求の範囲第５項に記載のデバイスにおいて、前記リングレーザ角度センサ は、共通ブロツクにマウントされ、共通ブロツクに関してデイザされることを特 徴とするデバイス。
8. ８．請求の範囲第５項に記載のデバイスにおいて、前記センサの各々と前記補償 質量体のデイザ角の振幅が各々別個に規定されて、用具ブロツクの回転運動を最 小化することを特徴とするデバイス。
9. ９．請求の範囲第８項に記載のデバイスにおいて、リングレーザ角度センサの３ つのセツトを備え、該センサが実質的に同じものであり、かつ該検知軸に関して の回転を検知するための軸が相互に直交するようにマウントされ、前記補償質量 がその回転軸が前記検知軸の各々に対して規定の角度となるようにマウントされ ていることを特徴とするデバイス。
10. １０．請求の範囲第９項に記載のデバイスにおいて、前記補償質量体が、前記セ ンサの各々と実質的に同じ質量を有し、その回転軸が前記検知軸から等角度にな るように前記ブロツクにマウントされていることを特徴とするデバイス。
11. １１．請求の範囲第５項に記載のデバイスにおいて、各角度センサデイザ手段は 、実質的に同じ周波数、振幅及び位相で振動し、 前記補償質量体のデイザは、各角度センサデイザ手段と実質的に同じ周波数及び 位相でなされ、該補償質量体のデイザ振幅は、該センサ及び該質量体のデイザモ ーメントの実質的に０に等しいベクトル和を生じ、かつデイザセンサ及び補償質 量体の角運動量の実質的にゼロに等しいベクトル和を生じるように調節されてい ることを特徴とするデバイス。