NL8402241A

NL8402241A - Inrichting voor het bepalen van de momentane scheefstand van een bewegend voorwerp.

Info

Publication number: NL8402241A
Application number: NL8402241A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1984-07-16
Filing date: 1984-07-16
Publication date: 1986-02-17
Also published as: US4628729A; DE3566576D1; JPS6138415A; EP0170314B1; EP0170314A1

Description

___« 5 PHN 11.104 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Inrichting voor het bepalen van de momentane scheefstand van een bewegend voorwerp.

De uitvinding heeft betrekking qp een inrichting voor het bepalen van de momentane scheefstand van een bewegend voorwerp, waarbij de hoek bepaald wordt tussen een referentievlak in het voorwerp en een verticaal vlak samenvallend met de zwaartekrachtrichting waartoe in 5 de snijlijn van de twee vlakken een rotatieversnellingsopnerrer is aangebracht, die voor het bepalen van de hoogfrequente componenten in een hoeksignaal, evenredig met de te meten hoek, aangesloten is op een eerste bewerkingsschakeling, bevattende een eerste integrator aangesloten qp een eerste ingang van een tweede integrator, die voorzien is van een 10 tweede ingang, en de inrichting een tweede opnemer bevat, die voor het bepalen van de laagfrequente componenten in het hoeksignaal aangesloten is op een tweede bewerkingsschakeling, waarin een laagdoorlaatfilter is cpgencmen, en verder een scnmeerschakeling bevat voor het sauteren van de laagfrequente en hoogfrequente ccnponenten, zodat een uitgang van 15 de inrichting het genoemde hoeksignaal levert.

Een scheefstandsbepaling van een voorwerp zoals een voer-, vaar- of vliegtuig, is van belang voor bijvoorbeeld het in een horizontale positie stabiliseren van een cardanisch opgehangen platform in het voorwerp of voor een nauwkeurige bepaling van de richting waarin zich 2o een voorwerp beweegt, respectievelijk de plaats in de ruimte die het voorwerp inneemt, bijvoorbeeld uitgedrukt in coördinaten.

Een inrichting, waarmede de scheefstand bepaald kan worden, is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 7 205 986 (overeenkomend met US 3,824,386).

25 Ten opzichte van het aardoppervlak, dat loodrecht wordt ge zien qp de richting van de zwaartekracht, wordt een rechthoekig coördinatenstelsel aangenomen en zo'n stelsel wordt ook in het voorwerp vastgelegd. Door draaiing cm de assen van dit laatste stelsel is elke stand in de ruimte ten opzichte van het aardoppervlak te verkrijgen. Voor 30 het meten van deze draaiing is een rotatieversnellingsopnerrer in elke as aangebracht, waarmede electronisch de hoeksnelheid en de draaiings-hoefc, door éénmaal, respektievelijk tweemaal te integreren in de tijd, gevonden kan worden. Echter in een statische toestand, waarbij de hoek 8402241 5 PHN 11,104 2 van de scheefstand niet verandert, dienen de integratoren over lange tijd zeer stabiel te zijn, hetgeen praktisch niet realiseerbaar blijkt. Alleen de verkregen gegevens van de opnemer met hogere frequenties zijn exact en dus goed bruikbaar. Bij deze bekende inrichting wordt voorge-5 steld cm andere opnemers als extra toe te passen, die wel een laag-frequente en statische signaalwaarde nauwkeurig leveren, maar hoogfrequente niet of onnauwkeurig. Aldus worden twee translatieversnellings-opnemers en een kompas toegepast.

Een nadeel van deze bekende inrichting is, dat meerdere in-10 gewikkelde rekenaars en diverse functiegeneratoren nodig zijn, hetgeen onder andere samenhangt met het feit, dat draaiingen om twee of drie assen elkaar beïnvloeden omdat een component van de zwaartekracht werkzaam langs een as beïnvloed wordt door draaiingen van de andere assen.

Bij de uitvinding wordt van de gedachte uitgegaan, dat de 15 schakeling aanzienlijk vereenvoudigd kan worden indien een opnemer voor de statische hoek toegepast wordt, die zeker in een bepaald tolerantiegebied niet afhankelijk is van de draaiingen cm andere referentie-assen. Daartoe is de inrichting, zoals in de inleiding genoemd, gekenmerkt, doordat de tweede opnemer een electrolytisch waterpas is, en de 20 tweede ingang van de tweede integrator aangesloten is op een uitgang van de tweede bewerkingsschakeling verder de tweede integrator met een uitgang aangesloten is op de uitgang van de inrichting en op een eerste ingang van een vergelijkschakeling, opgenomen in de tweede bewerkingsschakeling, en van de vergelijkschakeling een tweede ingang verbonden 25 is met het laagdoorlaatfilter, dat aangesloten is qp het electroly-tische waterpas, 'en een uitgang aangesloten is qp de uitgang van de tweede bewerkingsschakeling.

Een dergelijke inrichting is uitstekend geschikt cm in voertuigen toegepast te worden, waar de kantelhoek en de elevatiehoek bin-30 nen bepaalde grenzen blijven. Voordelig hierbij is dat een goedkoop systeem verkregen wordt, dat voor voertuignavigatie gebruikt kan worden. De analoge schakeling is zeer eenvoudig. Echter met een goedkope analoog-digitaal-omzetter kunnen de analoge opnemersignalen omgezet worden en in een veelal toch reeds aanwezige microprocessor rekenkundig bewerkt 35 worden, hetgeen gezien de eenvoud van de benodigde bewerkingen niet veel capaciteit vraagt.

Het electrolytisch waterpas op zich zelf is wel békend en bijvoorbeeld beschreven in het "Handbook of Transducers for Electronic 8402241 PHN 11,104 3

V

Measuring Systems", 1969, Prentice Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., geschreven doer Harry N. Norton, en wal op de bladzijden 155 en 156 en in figuur 2-10,

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de 5 tekening, waarin figuur 1 een rotatieversnellingsopnemer voorstelt, figuur 2 een electrolytisch waterpas en . figuur 3 de inrichting volgens de uitvinding.

In figuur 1 is een uitvoeringsvorm van een hoekversnellings-10 opnemer vocrgesteld, zoals die bij de uitvinding gebruikt kan worden.

Op een grondplaat 1 is een draagbeugel 2 bevestigd, waarin een as 3 verend draaien kan binnen zekere grenzen. Aan de as 3 zijn afstandsstukken 4 en 5 vastgemaakt, die cylinders 6 en 7 dragen, die voor massatraagheid zorgen.

15 Aan het afstandsstuk 4 is een arm 8 bevestigd, waaraan een piëzo-electrische strip 9 gemonteerd is*

Het andere einde van deze strip is aan een blok 10 op grondplaat 1 vastgemaakt.

Beweegt de grondplaat 1 zich dusdanig, dat rond de referentie-20 as 11 door as 3 een rotatie plaatsvindt, dan zal door de massatraagheid van cylinders 6 en 7 een doorbuiging van de strip 9 plaatsvinden, hetgeen zoals bekend een electrische lading op de 'op de strip aangebrachte electroden opwekt, die evenredig is met de doorbuiging, en daarmede met de hoekversnelling, 25 In figuur 2 is een electrolytisch waterpas 12 voorzien van een electrolyt 13, een gasbel 14, een contra-electrode 15 en meet-elec-troden 16 en 17. De electrolytweerstand tussen electroden 15 en 16 vormt met weerstand 18 de ene tak, en de electrolytweerstand tussen electroden 15 en 17 met weerstand 19 de andere tak van een brugschakeling 30 gevoed uit een bron op klemmen 20 en 21. De brugonbalans wordt gemeten tussen de electroden 16 en 17 met een versterkerschakeling 22, die een gelijkspanning evenredig met de onbalans en dus met de asymmetrie van de electrolytweerstanden afgeeft aan uitgang 23. Deze asymmetrie hangt af van de positie van de gasbel 14 en dus met een hoek die de lijn 24 35 van het waterpas zou maken met de verticale lijn op het aardoppervlak.

Bij een wisselbrcnvoeding op de brugschakeling bevat de versterkerschakeling 22 tevens gelijkrichtschakelingen.

Het waterpas 12 is alleen niet geschikt cm alle informatie «402241

U

PHN 11.104 4 over de scheefstandshoek te geven omdat de electrolyt te beweeglijk is en op zijdelingse krachten en schommelingen zal reageren. Wel geeft het waterpas over lange tijd gezien, waarbij het electrische bruguit-gangssignaal gemiddeld wordt, een juiste informatie over de statische 5 hoek en- zeer langzame veranderingen van deze hoek.

In figuur 3, die de inrichting volgens de uitvinding toont, is cp de waterpasschakeling van figuur 2 een laagdoorlaatfilter 25 aangesloten, waarbij een weerstand 26 op uitgang 23 en op een condensator 27 is aangesloten. Dit filter 25 maakt deel uit van een tweede bewer-10 kingsschakeling 28, die tevens een vergelijkschakeling 29 bevat.

De piëzo-electrische opnemer 9 is met de electroden 30 en 31 aangesloten op een ladingsversterker 32, die aan ingang 33 van een eerste bewerkingsschakeling 34 een met de doorbuiging van de qpnemer-strip 9 evenredige spanning levert. In deze eerste bewerkingsschakeling 15 34 wordt deze spanning geïntegreerd in een eerste integrator 35, zodat aan uitgang 36 een met de hoeksnelheid evenredig signaal aanwezig is. Voor de toepassing in een voertuig kan gesteld worden, dat dit niet met een constante snelheid rond een referentieas zal tollen, zodat de hoeksnelheid alleen wisselcamponenten zal bevatten, die via een hoog-20 doorlaatfilter te meten zijn. Dit filter wordt gevormd door condensator 37, in serie daarmede weerstand 38, terugkoppelweerstand 39 en operationele versterker 40. Aan uitgang 41 is het hoeksnelheidssignaal beschikbaar.

De uitgang 36 is verder aangesloten op een eerste Ingang 42 25 van een tweede integrator 43, bestaande uit de operationele versterker 44, de condensator 45 en de weerstand 46. Door deze tweede integratie kcmt aan uitgang 47 een met de hoek evenredig signaal ter beschikking. Feitelijk is dit hoeksignaal een sommatie van opvolgende hoekverdraai-ingen, waaruit de scheefstandshoek gevonden wordt door bij het starten 30 van de inrichting voor de integratieketen een beginvoorwaarde overeenkomend met de scheefstandshoek in te voeren. Echter door de aanwezigheid van een absolute hoekmeter in de vorm van het waterpas 12 is deze handeling niet nodig. Dit is als volgt in te zien. Het gefilterde hoeksignaal van waterpas 12, aanwezig over condensator 27, wordt een tweede 35 ingang 48 van de vergelijkschakeling 29 aangeboden, die met een eerste ingang 49 met uitgang 47 voor het hoeksignaal verbonden is. De uitgang 50 van de vergelijkschakeling 29 is aangesloten op de uitgang 51 van de tweede bewerkingsschakeling 28, en deze weer op een tweede ingang 52 3402241 •jï. 5 HM 11.104 5 van de integrator 43. Deze ingang 52 is met een weerstand 53 op het scranserpunt 54 aangesloten. Indien ondermeer de versterker 55 van de vergelijkschakeling 29 een redelijke versterking bezit kan gesteld warden dat de gelijkspanning en zeer laagfrequente componenten (¾) ingang 5 48 gelijk zijn aan dezelfde grootheden op ingang 49. Dus uitgang 47 levert een signaal, dat gelijk is aan de statische hoek geneten door waterpas 12. Het zal duidelijk zijn, dat uitgang 50 met weerstand 53 een bron vormt, die de stroon opneemt, die gelijk is aan een gelijkspanning op uitgang 36, respektievelijk ingang 42 gedeeld door de weer-10 standswaarde van weerstand 46.

Het is zeer voordelig on de condensator 27 van het laagdoor-laatfilter 25 op te nemen in de vergelijkschakeling 29, waarbij de ene zijde van de condensator niet meer aan massa, maar aan uitgang 50 gelegd is, zoals aangegeven is met condensator 56. De versterker 55 is dan een qpe-15 rationele versterker, waarvan zoals bekend de versterking zeer groot is. De gelijkspanning cp ingang 48, dus het gemiddelde, statische hoek-signaal is nu vrijwel exact gelijk aan het gewenste hoeksignaal cp uitgang 47. Bij deze integratorschakeling, die tevens als spanningsverge-lijker dienst doet, is het voordeel, dat wisselccmponenten, die wel ge-20 wenst zijn, in het hoeksignaal aan uitgang 47, vrijwel met versterking één aan ingang 52 geleverd worden waarna deze nog de verzwakking van de RC-tijd van weerstand 53 en condensator 45 ondergaan, en daarmede een verwaarloosbaar tegenkcppelsignaal leveren. Bij de eerst beschreven schakeling is dit tegenkcppelsignaal A-maal groter crrdat de versterker 25 55 bijvoorbeeld A-maal versterkt (100 of 1000 maal).

Met de dimensionering van de RC-tijden en de frequentie-gebieden moet hiermede rekening gehouden warden.

30 35 o ? ? 4 < V* » V ’-W *

Claims

3» w PHN 11.104 6 Conclusies;

1. Inrichting voor het bepalen van de momentane scheefstand van een bewegend voorwerp, waarbij de hoek bepaald wordt tussen een refe-rentievlak in het voorwerp en een verticaal vlak samenvallend met de zwaartékrachtrichting waartoe in de snijlijn van de twee vlakken een 5 rotatieversnellingsopnemer is aangebracht, die voor het bepalen van de hoogfrequente componenten in een hoeks ignaal, evenredig met de te meten hoek, aangesloten is op een eerste bewerkingsschakeling, bevattende een eerste integrator aangesloten qp een eerste ingang van een tweede integrator, die voorzien is van een tweede ingang, en de inrichting een 10 tweede opnemer bevat, die voor het bepalen van de laagfrequente componenten in het hoeksignaal aangesloten is op een tweede bewerkingsschakeling, waarin een laagdoorlaatfilter is opgenomen, en verder een sommeer-schakeling bevat voor het sommeren van de laagfrequente en hoogfrequente componenten, zodat een uitgang van de inrichting het genoemde hoeksig-15 naai levert, met het kenmerk dat de tweede opnemer een electrolytisch waterpas is, en de tweede ingang van de tweede integrator aangesloten is op een uitgang van de tweede bewerkingsschakeling verder de tweede integrator met een uitgang aangesloten is op de uitgang van de inrichting en op een eerste ingang van een vergelijkschakeling, opgenomen in 20 de tweede bewerkingsschakeling, en van de vergelijkschakeling een tweede ingang verbonden is met het laagdoorlaatfilter, dat aangesloten is op het electrolytische waterpas, en een uitgang aangesloten is op de uitgang van de tweede bewerkingsschakeling.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de verge-25 lijkschakeling een operationele versterker is, en als laagdoorlaatfilter een condensator tussen de uitgang en de tweede ingang van de vergelijkschakeling, en een weerstand tussen de tweede ingang en de tweede opnemer is aangebracht. 30 35 8 & 0 2 2 4 1