NO843473L - Apparat for frembringelse av et signal som representerer vinkelhastighet - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et apparat for å bestemme vinkelhastigheten og translasjons-bevegelsen av en struktur ved bruk av vibrerende akselerometre, og spesielt et apparat som bruker to akselerometre som vibrerer i en i det vesentlige lineær retning .

I patentsøknad, serie nr. 357.714 såvel som i 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 vinkelhastighets-vektor av et legeme i bevegelse ved hjelp av et flertall periodisk drevne akselerometre. Patentsøknad, serie nr. 357.715 beskriver lignende teknikker for å måle spesifikk kraft-vektor og vinkelhastighets-vektor av et legeme i bevegelse ved bruk av enten et enkelt eller et par akselerometre som vibrerer med en konstant frekvens.

I Merhavs patentsøknad benytter en av utførelsene av hastig-hetsmålingen to vibrerende akselerometre i en utforming hvor akselerometrene er orientert i en rygg-mot-rygg-anordning, dvs. at deres kraftfølsomme akser er innrettet i motsatte retninger, og hvor akselerometrene vibrerer i en i det vesentlige lineær retning, normal med de kraftfølsomme akser. En anvendelse av en slik hastighets-sensor ville være i et inerti-referanse-system som kunne bli brukt i et inerti-navigasjonssystem for fly. I en slik anvendelse er det viktig å holde mekanismen for å vibrere akselerometrene så enkel som mulig, såvel som å redusere størrelsen og kostnaden av systemet. Det ansees også som meget ønskelig i størst mulig utstrekning å eliminere deler som kan slites i et slikt system.

Det er derfor et formål med denne oppfinnelsen å frembringe en mekanisme for å vibrere to akselerometre i en i det vesentlige lineær retning ved bruk av et forbindelsesledd med en parallellogram-struktur.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å frembringe et apparat for å generere et signal som representerer vinkelhastigheten av en struktur, som omfatter et første og et annet akselerometer som hver har en kraftfølsom akse; en parallellogram-mekanisme omfattende en første akselerometer-støttedel som holder det første akselerometeret, en annen akselerometer-støttedel som holder det andre akselerometeret og en bindeledd-mekanisme festet til akselerometer-støttedelene og festet til strukturen slik at de kraftfølsomme akser er innrettet i parallell. Apparatet omfatter også en driver-mekanisme for å vibrere akselerometer-støttedelene i en retning som er i det vesentlige normal med akselerometrenes kraftfølsomme akse med en frekvens tu, og en signal-prosessorkrets for å generere et hastighetssignal som representerer strukturens vinkelhastighet.

Et videre formål med oppfinnelsen er å frembringe en vinkelhastighets-følsom akselerometer-struktur som omfatter en sentral støttedel; en første bindeledd-del som er dreibart forbundet med én ende av den sentrale støttedel; en annen bindeledd-del som er dreibart forbundet med den andre enden av den sentrale støttedel; en første akselerometer-støttedel som er dreibart forbundet med én ende av hver av bindeledd-delene; og en annen akslerometer-støttedel som er dreibart forbundet med den andre ende av bindeledd-delene. Strukturen omfatter også et første akselerometer festet til den første akselerometer-støttedel slik at dets kraftfølsomme akse er generelt normal med den første akselerometer-støttedel, og et annet akselerometer festet til den annen akselerometer-støttedel slik at dets kraftfølsomme akse er generelt normal med den annen akselerometer-del og parallell med den kraftfølsomme akse av det første akselerometer. Denne strukturen omfatter i tillegg en driver-mekanisme forbundet med den sentrale støttedel og en av bindeledd-delene for å vibrere akselerometrene med en frekvens u> gjennom en vinkel 9.

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

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

et parallellogram-bindeledd for å vibrere to akselerometre i en vesentlig lineær retning; Figur 2 og figur 3 er henholdsvis topp- og sideriss av en mekanisme for å realisere akselerometer-bevegelses-illustrasjonen på figur 1; Figur 4 er et blokkdiagram av en prosessorkrets for å om-forme akselerometer-signaler til vinkelhastighets- og kraftsignaler; og

Figur 5 er et blokkdiagram av en driver-signalgenerator

for bruk med prosessorkretsen på figur 4.

På figur 1 er det anordnet i diagrammatisk form en illustrasjon av en parallellogram-anordning for å vibrere to akselerometre 10 og 12 i en retning som indikert ved Y-aksen. Akselerometrene 10 og 12 er festet på akselerometer-støttedelene 14 og 16, som i sin tur er forbundet med et par bindeledd-deler

18 og 20 ved dreie- og lageranordningene 22 - 28. Når bindeledd-delene 18 og 20 roteres rundt dreiepunktene 30 og 32 gjennom en vinkel 9 vil akselerometrene 10 og 16 vibrere langs Y-aksen, som er normal med deres kraft-følsomme akser A z<1>og ^ Az<2>

I diagrammet på figur 1 presenterer vinkelen ^ en opprinnelig forskyvning rundt hvilken svingningen gjennom vinkelen 9 foregår.

Akselerasjonene som resulterer fra bevegelsen av akselerometer-støttedelene 14 og 16 i Y-retningen, målt langs og per-

1 2 pendikulær med akselerometrenes kraftfølsomme akser A Z og AZ er gitt henholdsvis ved ligningene (1) og (2) nedenfor:

hvor torepresenterer vinkel-rdtasjonsfrekvensen gjennom vinkelen 9, og R representerer lengden av forbindelsesarmen 18 eller 20 fra én side av de sentrale dreiepunkter 30 eller 32 til en av akselerometer-støttedelenes dreiepunkter 22 - 28. Som kan for-stås fra ligningene (1) og (2) er akselerasjonene langs Z-aksen av akselerometrene 10 og 12 på grunn av bevegelse av mekanismen illustrert på figur 1 forholdsvis liten for små verdier av 9, og vil i hovedsak kansellere ut i signalprosessoren vist på figur 4 Derfor skulle det være åpenbart fra figur 1 at den primære bevegelse av akselerometrene 10 og 12 er i hovedsak lineær langs Y-aksen for små vinkler av 9 og f . I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen vil 9Q ha en verdi på 0,01 - 0,1 radianer, og vil være mindre enn 0,01 radianer. I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen ville også frekvensen «være 200-400 radianer/ sek. Videre betydning av inngangsaksens bevegelse beskrevet i ligning (1) vil bli diskutert i forbindelse med driver-signal-generatoren på figur 5.

På figurene 2 og 3 er illustrert den foretrukne utførelse av en mekanisme for å realisere parallellogram-strukturen på figur 1. Som man kan se fra side-risset på figur 3 er akselerometrene 10 og 12 festet til akselerometer-støttedelene 14 og 16 ved akselerometer-flensdelene 34 og 36. For å for-enkle strukturen og minimalisere slitasje, er dreiepunktene 20-28 som forbinder akselerometer-støttedelene 14 og 16 med bindeledd-delene 18 og 20 realisert i den foretrukne utførelse av oppfinnelsen som tynne, fleksible metallstrimler. På samme måte er dreiepunktene 30 og 32 som forbinder bindeledd-delene 18 og 20 med en sentral støttedel 38 realisert i form av tynne, fleksible metallstrimler. Den sentrale støttedel 38 er forbundet med strukturen (ikke vist) for hvilken apparatet for figur 2 og figur 3 skal frembringe signaler som indikerer vinkelrotasjon og translasjonsbevegelse.

En driver-mekanisme av D'Arsonval-typen, som omfatter en permanent magnet 40 festet til bindeledd-delen 20 og en spole 42 festet til en sentral støttedel 38 driver akselerometrene 10 og 12 i parallelle men motsatte retninger, generelt langs Y-aksen som illustrert på figur 1. Vibrasjons-amplityden 0 kan styres ved hjelp av en servo-tilbakekoblings-sløyfe som benytter et par kapasitive opptakselementer 44 og 46 som vist på figur 3.

Apparatet vist på figurene 2 og 3 frembringer en unikt enkel mekanisme med et minimum av bevegelige deler for å vibrere et par akselerometre 10 og 12 med en i det vesentlige lineær bevegelse langs en akse Y, normal med de kraftfølsomme akser

1 2

A z og 3 A zav akselerometrene.

En signalprosessor for å skille kraftsignalene F zfra vinkelhastighets-signalene A„ og utgangssignalene fra akselerometrene 10 og 12 er anordnet på figur 4. En styrepulsgenerator 50 genererer signaler på en linje 52 som en funksjon av frekvensen to som vil forårsake at en driver-signalgenerator 54 vibrerer akselerometrene 10 og 12 med en frekvens u) som beskrevet tidligere. Utgangssignalene fra aksélerometrene 10 og

1 2

12, az og azblir sendt over linjene 56 og 58 til en for-adskillelsesprosessor 60. For-adskillelsesprosessoren 60, vist på figur 4, passer for en paret akselerometer-mekanisering av den typen som er vist på figur 1, hvor de kraftfølsomme akser

1 2

Az og Az er innrettet i motsatte retninger. Akselerometer-utgangssignalene ved linjene 56 og 58 blir subtrahert i et summeringspunkt 62, og addert i et summeringspunkt 64. Et par skalerings-forsterkere 66 og 68 mottar sum- og differansesignalene fra summeringspunktene 64 og 62 over linjene 70 og 72 .

Prinsippet med kraft-adskillelse er det samme som det beskrevet i den tidligere nevnte Merhav patentsøknad, serie nr. 357.715 og artikkelen av Shmuel J. Merhav med titelene "A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit", utgitt i mai 1981 av Technion Israel Institute of Technology, hvor de kombinerte signaler fra forsterkeren 66 blir ført over en linje 74 til en kraftkanal 76. Kraftkanalen 76 omfatter en integreringskrets og en sample-and-hold-krets med signaler fra styringspuls-generatoren 50 som blir sendt over linjene 78 og 80 til inte-grerings- og sample-and-hold-kretsene. De kombinerte akselera-sjonssignaler på linjene 74 blir integrert over tidsperioden T av frekvensenU) for å frembringe et kraftsignal F på linjen 82, som representerer endringen i hastighet langs aksen Z av strukturen til hvilket den sentrale støttedel er festet.

På lignende måte mottar en vinkelhastighets-kanalprosessor 84 differansesignalene over linjen 86, og multipliserer den med den periodiske nullmiddel-funksjon sgnctut. Som med kraftkanalen blir det resulterende signal integrert over en tidsperi-ode T gjennom en sample-and-hold-krets til en utgangslinje 88. Signalet S\^som representerer vinkelhastighets-informasjon blir sendt gjennom et lavpassfilter 90 til utgang på linjen 92.

På den ovennevnte måte kan signaler fra aksélerometer-anordningen illustrert på figurene 1 til 3 bli behandlet til å generere kraftsignaler og vinkelhastighets-signaler.

Videre detaljer av den foretrukne utførelse av driver-signalgeneratoren 54 er vist på figur 5. Pulser fra styre-pulsgeneratoren 50 blir sendt langs linjen 52 til en sinus-bølge-generator 100 som genererer en i det vesentlige sinus-formet spenning på linjen 104. Utgangen fra et summeringspunkt 106 driver en høyforsterknings forsterker 108. Utgangen fra forsterkeren 108 er en strøm som blir sendt til driverspolen 42. Moment-utgangen av driverspolen 42 virker sammen med dynamikken av mekanismen på figurene 1 til 3, representert ved boks 110, for å generere den drevne bevegelse av akselerometrene. Denne drevne bevegelse eksiterer opptaks-spolene 44

og 46 for å generere en tilbakekoblings-spenning på linjen 112.

I samsvar med servo-teorien som er vel kjent hos fagfolk på om-rådet, er forsterkningen A(uj) av forsterkeren 108 gjort meget høy, slik at driver-spenningen på linjen 104 og tilbake-koblingsspenningen på linjen 112 blir tvunget til å bli i det vesentlige like, og bevegelsen av mekanismen vil i det vesentlige følge driverspenningen på linjen 104. Tilleggs-kontroller som skal brukes under kalibrering av vinkelhastighets-følerapparatet på figurene 1 til 3 er vist ved 114 og 118. Fase-kontrollkrets 114 er en krets som genererer en justerbar spenning på linjen 116, som styrer fasen ved utgangen 104 av sinusbølge-generatoren 100 i forhold til styrepulsene på linjen 52. Forskyvnings-styringskrets 118 er en krets som genererer en justerbar spenning på linjen 120 for å styre middelvinkelen V av mekanismen som illustrert på figur 1.

Grunnen for å ha justeringene 114 og 118 inkludert i kretsen kan finnes ved å se på oppførselen av prosessoren med hensyn til akselerasjonen vist i ligning (1). Det første ut-trykk i ligningen (1) representerer en liten to ganger frekvens-akselerasjon som ikke ville være tilstede i en ren translasjons-mekanisme, og som derfor representerer et kompromiss i kon-struksjonen som er akseptabel for å oppnå en enkel mekanisme. Det er et meget lite kompromiss, da man kan vise at det kanselleres nøyaktig i prosessoren for konstant driver-bevegelse, og at det også i det vesentlige kanselleres selv i nærvær av driver-vibrasjon. Det annet signal som er identisk med det som ville bli forårsaket ved en felles-modus feilinnretning av de to akselerometrene gjennom en vinkel 4* .

Det kan bli vist at prosessoren på figur 4, når den blir utsatt for både faseskift i driversignalet 4» og f eilinnretning av de kraftfølsomme akser A<1>og<2>av akselerometrene 10 og 12 i forhold til Z-aksen, at a^og a^, som vist på figur 1,

vil generere en tilsynelatende hastighets-forspenning gitt ved:

Ved f.eks. u) = 200 radianer pr. sekund, a1=a2=0,001 radianer, og ci>=0,001 radianer, viser ligningen (3) at en tilsynelatende

-4

hastighets-forspenning av 10 radianer pr. sekund, eller

20,6°/time ville resultere. Den elektriske justering av ^ tillater justering av a^og a^ til en forholdsvis stor verdi uten mekaniske justeringer, slik at <t> kan bli stilt til en meget liten verdi ved å observere A^ • $ kan så bli forskjøvet nøy-aktig 90° ved midlertidig å endre forbindelsene av tidskontroll-signalene på linjene 78 og 80 slik at summen av feilinnretnings-vinklene a^og a^kan bli justert til null ved å justere '% igjen mens man observerer A^. Når cj> igjen returneres til null og alle kontrollene er låst på plass, vil apparatet ikke bare være justert for minimum verdi av A^, men også for minimum drift i fi i tilfelle a^, a^eller <j> skulle vise aldrings-drift etter kalibreringen. Evnen til å justere H^ elektrisk tillater hele prosedyren å bli gjennomført raskt, nøyaktig og uten behov for kritiske mekaniske justeringer.

Claims (13)

1. Apparat for frembringelse av et signal som representerer vinkelhastigheten av en struktur,karakterisertv e c! at den omfatter: et første akselerometer med en første kraft-følsom akse; et annet akselerometer med en annen kraftfølsom akse; en parallellogram-mekanisme omfattende en første akselerometer-støttedel festet til det første akselerometer, en annen akselerometer-støttedel festet til det annet akselerometer og en bindeleddmekanisme festet til den første og den annen akselerometer-støttedel og festet til strukturen slik at den første og den annen kraftfølsom akse blir innrettet i parallell; en driver-anordning operativt forbundet med parallellogram-mekanismen for å vibrere den første og den annen akselerometer-støttedel i en retning som er i det vesentlige normal med den første og den annen kraftfølsomme akse ved en frekvens w; og en signalprosessor-anordning, operativt forbundet med det første og det annet akselerometer for å frembringe et hastighetssignal som representerer vinkelhastigheten av strukturen.

2. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat bindeledd-mekanismen omfatter en første bindeledd-del, dreibart forbundet med den første og den annen akselerometer-støttedel, en annen bindeledd-del dreibart forbundet med den første og den annen akselerometer-støttedel og en sentral støttedel festet til strukturen og dreibart forbundet med den første og den annen bindeledd-del.

3. Apparat ifølge krav 2,karakterisert vedat driveranordningen omfatter en første elektromagnetisk driverdel festet til den sentrale støttedel, og en annen elektromagnetisk driverdel festet til den første forbindelsesledd-del.

4. Apparat ifølge krav 2,karakterisert vedat den første og den annen bindeledd-del er dreibart forbundet med den første og den annen akselerometer-støttedel ved fleksible strimler.

5. Apparat ifølge krav 4,karakterisert vedat den sentrale dreiedel er dreibart forbundet med den første og den annen bindeledd-del ved fleksible strimler.

6. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat driveranordningen vibrerer det første og det annet akselerometer gjennom en vinkel 9 på 0,01 til 0,1 radianer.

7. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat frekvensen w er en konstant frekvens på 200-400 radianer pr. sekund.

8. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat det første og det annet akselerometer vibrerer gjennom en vinkel 0 forskjøvet ved en vinkel f fra en nominell stilling, og hvor driveranordningen omfatter en justeringsanordning for å justere forskyvningsvinkelenf til den ønskede verdi.

9. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat driveanordningen omfatter fase-kontrollanordning for å justere fasen av vibrasjonen av det første og det annet akselerometer .

10. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat drivermekanismen omfatter: en periodisk signalgeneratorkrets for å generere et ut-gangssignal med frekvensen mJ ; en forsterkerkrets, operativt forbundet med den periodiske signalgenerator for å forsterke utgangen av den periodiske signalgenerator; et driverelement, operativt forbundet med den nevnte parallellogram-mekanisme og følsom for det forsterkede periodiske signal for å vibrere det første og det annet akselerometer ved frekvensen WJ ; og en tilbakekoblingsanordning som er følsom for stillingen av parallellogram-mekanismen for å påtrykke et tilbakekoblings-signal til forsterkerkretsen for å styre amplituden 9 av vibrasjonen av det første og det annet akselerometer.

11. Apparat ifølge krav 10,karakterisert vedat det i tillegg omfatter justeringsanordninger for å justere forskyvningsvinkelen 4<*>som representerer avviket fra en nominell stilling av vibrasjon 9, til en ønsket verdi.

12. Apparat ifølge krav 11,karakterisert vedat justeringsanordningen omfatter en spennings-forsyningskrets for å tilføre en justerbar spenning til forsterkerkretsen.

13. Apparat ifølge krav 10,karakterisert vedat det i tillegg omfatter en fase-kontrollkrets, operativt forbundet med den periodiske signalgenerator, for å variere fasen av frekvensen u) med hvilken det første og det annet akselerometer blir vibrert.