NO843471L

NO843471L - Apparat for maaling av vinkelhastighet, eventuelt translasjonsbevegelse og rotasjon

Info

Publication number: NO843471L
Application number: NO843471A
Authority: NO
Inventors: Rex B Peters
Original assignee: Sundstrand Data Control
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1985-03-04
Also published as: IL72541A0; IT8448739A0; AU552197B2; IL72541A; AU2997284A; JPS6073362A; GB2145825B; DE3431608A1; DE3431608C2; US4512192A; IT1179221B; GB8422025D0; ZA846114B; SE8404317L; GB2145825A; SE8404317D0; HK20487A; IT8448739A1; CA1215244A; NL8402553A

Abstract

Apparat for inerti-bestemmelse av hastigheten av vinkelrotasjon og translasjonsbevegelse av en struktur som benytter et par vibrerende akselerometre som vibrerer langs en enkelt akse med sine kraftføl-somme akser plassert normalt med vibrasjonsaksen og rotert 90° fra hverandre. Signalet fra de vibrerende akselerometrene kan bli behandlet til å frembringe indikasjoner av vinkelrotasjon rundt to akser og translasjons-bevegelse rundt to akser. To av settene av vibrerende akselerometre kan kombineres til å. frembringe et tre-aksers inerti-referansesystem.

Description

Oppfinnelsen angår et apparat for inerti-bestemmelse av hastigheten for rotasjon- og translasjonsbevegelse av en struktur som benytter vibrerende akselerometre, og spesielt til et slikt apparat som bruker et par vibrerende akselerometre for å bestemme vinkelhastighet og translasjonsbevegelse langs minst

to akser.

I patentsøknad nr. 357.714 og en artikkel av Shmuel J. Merhav med titelen "A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit", utgitt i mai 1981 av Technion Israel Institute of Technology,

er det beskrevet en fremgangsmåte og et apparat for å måle spesifikk kraft-vektor og vinkelhastighetsvektor for et legeme i bevegelse, ved hjelp av et flertall periodisk drevne akselerometre. Patentsøknadene nr. 357.715 og nr. 528.776 viser lignende teknikker for å måle spesifikk kraft-vektor som gir et mål for translasjonsbevegelse og vinkelhastighetsvektor av et legeme i bevegelse, ved bruk av enten et enkelt eller et par akselerometre som vibrerer med en konstant frekvens.

For visse anvendelser, såsom et inerti-referansesystem med lav kostnad, er det ønskelig å minimalisere kompleksiteten og antallet av sensor-komponenter som brukes i slike systemer. I inerti-referansesystemet med tre akser som beskrevet i de ovennevnte patentsøknader, er det nødvendig å bruke enten tre eller seks akselerometre som vibrere eller beveger seg i tre separate akser. I de mekaniske systemer beskrevet i patentsøknadene nr. 357.715 og nr. 528.776 er det nødvendig å frembringe en mekanisme for å drive enten én eller to akselerometre langs tre forskjellige ortogonale akser, noe som kan kreve et ganske kom-plisert og kostbart mekanisk driver-system.

Det er derfor et formål med denne oppfinnelsen å frembringe et toaksers vinkelhastighets målesystem som omfatter to akselerometre med sine kraft-følsomme akser innrettet 90° med hverandre, og vibrerende langs en akse som er normal med de kraftfølsomme akser. En treaksiell vinkelhastighets- og kraftsensor kan bli anordnet ved å kombinere to slike sett vibrerende akselerometre hvor vibrasjonsaksene er normale med hverandre.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å frembringe et vinkelhastighets-måleapparat med et første og et annet akselerometer vibrerende langs en vibrasjonsakse, med det første akselerometeret innrettet slik at det vibrerer med sin kraft-følsomme akse normal med vibrasjonsaksen, og for å innrette det annet akselerometer på en slik måte at det vibrerer med sin kraft-følsomme akse normal med både vibrasjonsaksen og den kraftføl-somme akse av det første akselerometer. Dette apparatet omfatter også en prosessor for å generere et første hastighetssignal fra utgangssignalet og det første akselerometer som representerer vinkelrotasjonen av det første akselerometeret rundt den kraftfølsomme akse av det annet akselerometer, og som også genererer et annet hastighetssignal fra utgangssignalet av det annet akselerometer som representerer rotasjonen av det annet akselerometer rundt en akse som er parallell med den kraftføl-somme akse av det første akselerometer.

Et videre formål med oppfinnelsen er å frembringe et apparat for å måle translasjon av og vinkelrotasjon av en struktur med første, annen og tredje ortogonale akser som omfatter et første og et annet akselerometer, hver med en kraftfølsom akse; en første vibrasjonsmekanisme for å vibrere det første og det annet akselerometer langs den annen akse; en første innretningsmekanisme for å feste det første og det annet akselerometer til den første vibrasjonsmekanisme slik at den kraft-følsomme akse av det første akselerometer er på linje med den første akse og den kraftfølsomme akse av det annet akselerometer er på linje med den tredje akse; tredje og fjerde akselerometeret med kraft-følsomme akser; en annen vibrasjons-mekanisme for å vibrere det tredje og det fjerde akselerometer langs den tredje akse; en annen innretningsmekanisme for å feste det tredje og det fjerde akselerometer slik at den kraft-følsomme akse av det tredje akselerometer er på linje med den første akse og den fjerde kraft-følsomme akse er på linje med den annen akse; og en prosessor som er følsom for utgangssignalene fra akselerometrene for å generere hastighetssignaler som representerer vinkelrotasjonen av strukturen rundt hver av de første, andre og tredje akser og for å generere signaler som representerer translasjon av strukturen langs hver av den første, annen og tredje akser.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor:

figur 1 er et diagram som gir en konsept-illustrasjon av

en tre-aksers hastighet og kraftsensor som benytter to sett av vibrerende akselerometere;

figur 2 er et tverrsnitt-riss av en mekanisme for å vibrere to akselerometre langs en enkelt vibrasjonsakse; og

figur 3 er et blokkdiagram av en prosessorkrets for å omforme akselerometer-signaler til vinkelhastighets- og kraftsignaler.

Figur 1 viser i diagrammatisk form en illustrasjon av oppfinnelsen, hvor fire akselerometre som vibrere langs to akser kan bli brukt til å frembringe et tre-aksers vinkelhastighets-og kraftmålingssystem. På X-aksen er f.eks. to akselerometre 10 og 12 bragt til å vibrere. Det første akselerometer 10 har sin kraftfølsomme akse A^ på linje med Z-aksen, som er normal med vibrasjonsaksen X. Det annet akselerometer 12 har sin kraft-følsomme akse A^ på linje med Y-aksen, som er normal med både den kraftfølsomme akse A^ av akselerometer 10, og vibrasjonsaksen X. Utgangssignalet a zfra akselerometer 10 vil omfatte komponenter som representerer både translasjon av referanserammen eller strukturen betegnet ved aksene X, Y og Z langs Z-aksen, men vil også omfatte komponenter som representerer rotasjon av strukturen rundt aksen Y som indikert ved SL y. På en lignende måte vil utgangssignalet fra akselerometeret 12, betegnet ved a^, omfatte komponenter som representerer translasjon av strukturen langs Y-aksen av referanserammen på figur 1, såvel som å inneholde komponenter som resulterer fra coriolis-kraft som representerer rotasjon av akselerometeret 12 rundt Z-aksen, som betegnet ved SL .

Som man kan se fra figur 1 og den ovenstående diskusjon,

er det mulig å benytte to akselerometre som vibrerer langs en felles akse til å generere to vinkelhastighets-signaler og to kraftsignaler som representerer translasjon av strukturen som inneholder akselerometrene.

Figur 1 illustrerer også, ved tillegg av to akselerometre

14 og 16, at et tre-aksers inerti-følersystem kan bli konstru-ert. Som vist på figur 1, vibrere akselerometrene 14 og 16 langs Y-aksen, ved sine kraftfølsomme akser A z og A normal med vibrasjonsaksen Y og rotert 90° fra hverandre. Akselérometeret 14 vil generere et annet az~signal, som lik tilfellet ved akselerometeret 12 inneholder komponenter som representerer translasjon av strukturen som inneholder akselerometrene langs Z-aksen, og rotasjonen SL2\. rundt X-aksen. Akselerometeret 16 vil på den annen side fullføre det tre-aksers inerti-referanse-signal ved å sende ut et signal a som inneholder komponenter representerende translasjon av strukturen som inneholder akselerometrene langs Z-aksen, og vinkelrotasjonen TL zrundt Z-aksen.

En enhet for å realisere de vibrerende akselerometerpar

som vist på figur 1 er anordnet på figur 2. Stemmegaffel-enheten på figur 2 kan bli brukt til å vibrere hvert par av akselerometere som vist på figur 1. Den vibrerende akselero-meterenhet omfatter et ytre sylindrisk hus 18 i hvilket er montert en stemmegaffel 20 med et par grener 20a og 20b. Grenene 20a og 20b strekker seg parallelt med X-aksen på figur 1,

og er følgelig perpendikulære med vibrasjonsaksen X. Stemmegaf felen 20 er montert inne i huset 18 ved hjelp av en mon-terings-post 22 som er festet til stemmegaffelens forbindingsledd 20c. Denne generelle anordning for å vibrere et par akselerometre er beskrevet i de ovennevnte patentsøknader,

serie nr. 357.715 og serie nr. 528.776.

Huset 18 omfatter videre en annen post 24 på linje med posten 22, og også fra stemmegaffelens forbindingsledd 20c. Posten 24 er brukt for på én side å montere en permanent magnet 26 som virker sammen med en driv-spole 28, og på den annen side en permanent magnet 3 0 som virker sammen med en opptaks-spole 32. De to permanente magnetene 26 og 30 er av sylindrisk ut-forming, og omfatter sylindriske luftrom i hvilke er plassert deres respektive driv-spoler 28 og 32, som hver blir båret av et par sylindriske spoleformer 34 og 36 som i sin tur er festet til de indre overflater av de to grenene 20b og 20a.

Til den ytre overflate av grenen 20b av stemmegaffelen 20, festet ved hjelp av en monteringsanordning 38, er akselerometeret 10 på figur 1, med den kraftfølsomme akse A^ orientert som vist. På en lignende måte er det andre akselerometeret 12 festet til den ytre overflate av grenen 20b av stemmegaffelen 20, med akselerometerets kraftfølsomme akse A orientert som vist, dvs. perpendikulær både med retningen av stemmegaf f el^.bevegelsen og den kraftfølsomme akse A zav akselerometeret 10.

Det vil bli forstått fra illustrasjonen på figur 2 at stemmegaffelen 20, når den vibrerer med sin naturlige frekvens, vil forårsake at akselerometrene 10 og 12 beveger seg synkront, men i motsatte retninger. Et resultat av dette er at ingen netto kraft vil bli utøvet på huset 18 eller på støtte-strukturen (ikke vist) til hvilken den vibrerende akselero-meterenhet i huset 18 er festet. Akselerometer-festestrukturen som er symbolisk representert på figur 1 ved X, Y og Z-aksene ville bli selve det bevegelige legemet i en fastbundet inerti-ref eransesystem, eller det indre kardanoppheng av en plattform i et system med stabil kardan-plattformanvendelse.

Et eksempel på en prosessorkrets for å skille kraftsignalet fra hastighetssignalet for et par vibrerende akselerometre såsom akselerometrene 10 og 12 på figur 1 og 2 er illustrert i blokkdiagram form på figur 3. Prinsippene for signal-adskillelse ved hvilken kretsen på figur 3 opererer er det samme som beskrevet i detalj i de tidligere nevnte patentsøknader, serie nr. 357.714, serie nr. 528.776, såvel som artikkelen av Shmuel J. Merhav med titelen "A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit" utgitt i mai 1981 av Technion Israel Institue av Technology.

Som vist på figur 3 genererer en styringspuls-generator en série pulser på en linje 42, som er en funksjon av den vinkel-frekvens med hvilken akselerometrene 10 og 12 vibrerer. Puls-signalene på linjen 42 blir så ført til en driv-signalgenerator 44 som kan brukes til å forårsake at en drivmekanisme såsom stemmegaffelen 20 på figur 2 vibrerer akselerometrene 10 og 12 gjennom en liten vinkel ved den frekvensen.

Utgangs-signalet a^ fra akselerometeret 10 blir så ført over en linje 46 til en kraft-kanal 48 og en vinkelhastighets-kanal 50. Vinkelhastighetskanal+kretsen 50 utleder så hastighetssignalet/i yved å anvende det periodiske nullmiddel-funksjonssignalet sgnctut på a^-signalet, og å integrere resul-tatet over tidsperioden T som representerer en periode av frekvensen uj . Styringspuls-generatoren 40 frembringer et puls-signal som er en funksjon av tidsperioden T på en linje 52, som blir sendt til vinkelhastighetskanalen 50 såvel som til kraft-kanalen 48. Kraftkanalen 48 opererer ved å integrere a^-signalet over tidsperioden T for å generere på utgangslinjen 56 signalet Fzsom representerer translasjon av strukturen som inneholder akselerometrene 10 og 12 langs Z-aksen, som vist på figur 1.

Kretsen på figur 3 omfatter også en kraft-kanal 58 og en vinkelhastighets-kanal 60 som opererer på samme måte som a - utgangssignalet fra akselerometer 12, som sendt på en linje 62 for å generere kraft-signalet F^ på utgangslinjen 64 og hastighetssignalet fl zpå en utgangslinje 66.

Claims

1. Apparat for måling av vinkelhastighet, karakterisert ved at det omfatter: et første aksélerometer med en første kraftfølsom akse; et annet akselerometer med en annen kraftfølsom akse; en vibrasjons-anordning for å vibrere det første og det annet akselerometer langs en vibrasjonsakse; innretningsanordning for å feste det første aksélerometer til vibrasjonsanordningen slik at den første kraftfølsomme akse er normal med vibrasjonsaksen, og for å feste det annet akselerometer til vibrasjonsanordningen slik at den annen kraftfølsomme akse er normal med både vibrasjonsaksen og den første kraft-følsomme akse; og en prosessoranordning, operativt forbundet med det første og det annet akselerometer for å generere et første hastighetssignal fra utgangssignalet fra det første akselerometer som representerer vinkelrotasjonen av det første akselerometer rundt en første akse parallell med den følsomme akse av det annet akselerometer, og for å generere et annet hastighetssignal fra utgangssignalet fra det andre akselerometer som representerer rotasjonen av det annet akselerometer rundt en annen akse parallell med den kraftfølsomme akse av det første akselerometer.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at prosessorenheten i tillegg omfatter en anordning for å generere et første kraftsignal fra utgangssignalet av det første akselerometer, som representerer endringen i hastighet av det første og det annet akselerometer langs den første kraft-følsomme akse, og for å generere et annet kraftsignal fra utgangssignalet av det annet akselerometer som representerer endringen i hastighet av det første og det annet akselerometer langs den annen kraftfølsomme akse.

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at vibrasjons-anordningen vibrerer det første og det annet akselerometer med konstant frekvens i motsatte retninger på den nevnte vibrasjonsakse.

4. Apparat for å måle translasjonen av en vinkelrotasjon av en struktur med en første, annen og tredje ortogonale akser, karakterisert ved at det omfatter: et første akselerometer med en første kraftfølsom akse; et annet akselerometer med en annen kraftfølsom akse; en første vibrasjonsanordning for å vibrere det første og det annet akselerometer langs den annen akse; en første innretningsanordning for å feste det første og det annet akselerometer til den første vibrasjonsanordning slik at den første kraftfølsomme akse er på linje med den første akse og den annen kraftfølsomme akse er på linje med den tredje akse; et tredje akselerometer med en tredje kraftfølsom akse; et fjerde akselerometer med en fjerde kraftfølsom akse; en annen vibrasjonsanordning for å vibrere det tredje og det fjerde akselerometer langs en tredje akse; en annen innretningsanordning for å feste det tredje og det fjerde akselerometer til den annen vibrasjonsanordning slik at den tredje kraftfølsomme akse er på linje med den første akse og den fjerde kraftfølsomme akse er på linje med den annen akse; og en prosessoranordning, operativt forbundet med det første, annet, tredje og fjerde akselerometer for å generere hastighetssignaler som representerer vinkelrotasjonen av strukturen rundt hver av første, annen og tredje akse og for å generere kraftsignaler som representerer translasjon av strukturen langs hver av første, annen og tredje akser.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at prosessoranordningen omfatter en innretning for å omforme utgangssignalene fra det første akselerometer til et første hastighetssignal som representerer vinkelhastigheten av strukturen rundt den tredje akse; en innretning for å omforme utgangssignalet fra det annet akselerometer til et annet hastighetssignal som representerer vinkelrotasjonen av strukturen rundt den første akse, og en innretning for å omforme utgangs-signalet av det tredje akselerometer til det tredje hastighetssignal som representerer vinkelrotasjonen av strukturen rundt den annen akse.

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at prosessoranordningen i tillegg omfatter en innretning for å omforme utgangssignalet fra det fjerde akselerometer til et fjerde hastighetssignal som representerer vinkelhastigheten av rotasjon av strukturen rundt den første akse.

7. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at prosessoranordningen i tillegg omfatter en innretning som er følsom for det første akselerometer-utgangssignal for å generere et første kraftsignal som representerer translasjon av strukturen langs den første akse, en innretning som er følsom for det annet akselerometer-utgangssignal for å generere et annet kraftsignal som representerer translasjon av strukturen langs den tredje akse; en innretning som er følsom for det tredje akselerometer-utgangssignal for å generere et tredje kraftsignal som representerer translasjon av strukturen langs den første akse; og en innretning som er følsom for det fjerde akselerometer-utgangssignal for å generere et fjerde kraftsignal som representerer translasjon av strukturen langs den annen akse.