NO843479L - Apparat til aa frembringe et signal som representerer vinkelbevegelseshastigheten av en konstruksjon - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår et apparat for å måle Inerti-spesifikk kraft og vinkelhastighet av et legeme i bevegelse, ved hjelp av et flertall aksellerometre montert på gjensidig perpendikulære akser. Oppfinnelsen er spesielt anvendelig i et apparat og en fremgangsmåte som anvendt i en høy-presisjons, ikke gyroskopisk Inerti-måleenhet (IMU) for et Inerti-navigasjonssystem (INS), som beskrevet i US patentsøknad nr. 357,714 såvel som i en artikkel av Shmuel J. Merhav med tittelen "A Nongyroscopic Intertial Measurement Unit", offentliggjort i AIAA J. of Guidance and Control, mai-juni 1982, sidene 227-

235, og er derfor beskrevet nedenfor i forhold til en slik anvendelse.

Den ovennevnte patentsøknad viser en fremgangsmåte og

et apparat for å måle den spesifikke kraft-vektor og vinkelhastighets-vektor for et legeme i bevegelse ved hjelp av et flertall av periodisk drevne aksellerometre. Den beskrevne utførelse bruker roterende aksellerometre, som i vid forstand har vært foreslått så tidlig som i 1965, men som ennå ikke har modnet som en praktisk teknologi, som diskutert i den nevnte patent-søknad. Den patentsøknaden er spesielt rettet mot en ny metode for å behandle aksellerometer-utgangssignalene for å utlede den spesifikke kraft-vektor F og dens komponenter av vinkelhastighets-vektoren SL på en slik måte at de uønskede kompo-

nenter blir nedtrykt til et tilstrekkelig lavt nivå til at de er kompatible med INS presisjonskrav. I korte trekk blir vinkelhastighets-vektor-komponentene av SL (dvs. SL i, hvor i = x, y, z), utledet fra hver av aksellerometer-utgangssignalene ("a"), ved: (1) å multiplisere aksellerometer-utgangssignalet med funksjonen sgncos U) t for å generere produkt-signalet a• sgncos 661, og (2) å integrere produktsignalet over syklus-perioden'. Spesifikk kraft-vektor-komponentene av F (dvs. Fj_

hvor i = x, y, z) blir utledet ved å integrere de respektive aksellerometer-utgangssignaler ("a") over syklus-perioden.

Den nevnte patentsøknad omfatter en diskusjon og en matematisk analyse av den involverte dynamikk, og viser at et antall viktige fordeler kan oppnås, noe som gjør den beskrevne fremgangsmåte og apparat spesielt anvendelig for ikke-gyroskopiske Inerti-navigasjonssystemer (INS). Det henvises til den ovennevnte patentsøknad og artikkelen av S.J. Merhav, nevnt ovenfor, for ytterligere detaljer av den beskrevne teknikk for signal-adskil-

lelse og de fordeler som kan oppnås ved dette.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe et nytt apparat for å måle spesifik kraft og vinkelhastighet av et legeme i bevegelse, noe som gjør det mulig å oppnå videre viktige fordeler, som skal forklares nærmere nedenfor. Apparate ifølge denne anvendelse er spesielt anvendelig med den teknikk for signal-adskillelse som er beskrevet i den ovennevnte patent-søknad, og er derfor beskrevet nedenfor i henhold til den teknikken, men det må forstås at oppfinnelsen av denne anvendelse, eller trekk av den, også med fordel kan benyttes i andre anvendelser .

Kort sagt frembringer den foreliggende oppfinnelse et apparat for å måle spesifik kraft og vinkelhastighet av et legeme i bevegelse ved hjelp av et flertall aksellerometre, montert på gjensidig perpendikulære akser og periodisk drevne ved en drivanordning i gjensidig perpendikulære plan,karakterisert vedat hvert aksellerometer er montert for vibrasjons-bevegelse, og blir drevet av drivanordningen langs en vibrasjons akse i sitt respektive plan, istedenfor å roteres i planet som i den utførelsesform av oppfinnelsen som er beskrevet i den ovennevnte patentsøknad. Flere anordninger som utgjør videre trekk ved oppfinnelsen er beskrevet nedenfor for å oppnå den vibrerende bevegelse av aksellerometrene.

I en av de beskrevne utførelser er således aksellerometrene montert fjærende på en elastisk ettergivende anordning, så

som en membran, slik at aksellerometeret begrenses til bevegelse bare langs vibrasjonsaksen, mens drivanordningen kan forbindes med en kilde av sinusformet strøm for å vibrere aksellerometret langs vibrasjonsaksen. Hver referanse-akse for det bevegelige legeme kan være utstyrt med to slike vibrerende enheter montert i et koaksielt, rygg-mot-rygg forhold, hvor drivanordningen for en enhet vibrerer denne enheten synkront, men i motsatt retning med, drivenheten for den andre, slik at en enhet tjener som en balanserende masse for dynamisk å balansere den andre enheten.

Et apparat konstruert i henhold til de foregående trekk gjør det mulig å oppnå et antall viktige fordeler, spesielt med anvendelse til ikke-gyroskopiske Inerti-navigasjonssystemer (INS). Det gjør det således mulig å drive aksellerometrene periodisk uten roterende eller glidende mekaniske skjøter, og dermed unngå behovet for sleperinger og andre glidende elektriske kontakter. I tillegg frembringer den beskrevne anordning en aksellerometerenhet som er iboende stiv langs den følsomme akse, noe som tillater vibrasjons-bevegelse og blir påtrykt aksellerometrene ved amplituder, frekvenser og fasevinkler som kan styres meget nøyaktig, og som gjør aksellerometrene i det vesentlige ufølsomme for ytre krefter, sjokk og vibrasjon. En ytterligere fordel, spesielt i rygg mot rygg-anordningen,

er at den genererer den nødvendige vibrasjons-bevegelse på

en slik måte at de dynamiske krefter blir nøyaktig balansert.

De foregående fordeler frembringer en mye høyere middeltid mellom feil (MTBF) enn gyro-typer av IMU, eller ikke-gyro-typer av IMU med roterende aksellerometre.

I en annen beskrevet utførelse er aksellerometrene montert på en støttedel, roterbare rundt en rotasjonsakse i rett vinkel med vibrasjonsaksen, hvor drivanordningen svinger sin støttedel gjennom en liten vinkelbevegelse rundt rotasjonsaksen. Støtte-delen omfatter også en balanse-masse på den motsatte side av rotasjonsaksen for å balansere aksellerometer-massen. I denne beskrevne utførelse omfatter drivanordningen en elektrisk motor, drevet av den sinusformede strømmen for å utføre en liten vinkel-svingende bevegelse (noen få grader) som er nesten lineær.

Denne utførelsen har den videre fordel av en i det vesentlige total immunitet mot ekstern lineær vibrasjon og sjokk, enkel konstruksjon, og stor presisjon og lave kostnader.

En tredje utførelse av oppfinnelsen er beskrevet nedenfor, omfattende en stemmegaffel, hvilken utførelse også tillater nøyaktig balansering av de dynamiske krefter. Aksellerometeret omfatter således en masse montert for vibrerende bevegelse på den første gren av stemmegaffelen, hvor den andre gren av stemmegaffelen omfatter en balanserende masse som forårsaker at de to grenene vibrerer med en forutbestemt naturlig frekvens. I denne beskrevne utførelse blir den elektriske drivdel båret

på en del av stemmegaffelen, og den elektriske opptaksdel kan bæres av den andre grenen. En slik anordning kan omfatte en elektrisk tilbakekoblingssløyfe fra opptaksdelen til drivdelen, for dermed å anordne en elektromekanisk oscillator hvis svingninger er opprettholdt av tilbakekoblingssløyfen.

Stemmegaffel-utførelsen anordner, i tillegg til et balansert dynamisk system på grunn av de kontra-bevegelige masser, et antall tilleggs-fordeler. Når kraft-behovet for å drive drivdelen bare er det som kreves for å erstatte energi som tapes til friksjon, krever således anordningen bare en meget liten kraft-mengde. Videre da innretningen virker som en meget skarpt avstemt oscillator, vil det avvise mekaniske forstyrrelser langs den følsomme akse hvis det ikke er nøyaktig ved resonansfrekvensen. Enn videre, da anordningen opererer ved sin naturlige frekvens, kan det brukes til å synkronisere multivibratoren som styrer signal-prosessoren, og dermed unngå fase-forsinkelser som kunne påvirke nøyaktigheten av vinkel-hastigheten og spesifikk kraft-vektorer som utledes fra aksellerometer-utgangssignalene.

Fra det ovenstående vil forstås at "vibrerende bevegelse"

som tilført aksellerometrene kan være ikke bare rettlinjet-bevegelse, så som i den første av de ovennevnte utførelser,

men kan også være en vesentlig rettlinjebevegelse (f.eks. en liten vinkel-svingende bevegelse som er nesten rettlinjet)

slik som i den andre og den tredje av de ovennevnte utførelser av oppfinnelsen. Dette vil fremgå bedre fra den følgende detal-jerte beskrivelse av hver av de tre utførelsene. En ytterligere forbedring av en hastighets- og kraftsensor som benytter vibrerende aksellerometre kan oppnås ved å benytte parrede aksellerometre for hver akse for hvilken det ønskes vinkelhastighets-informasjon. Det er tre anordninger med parrede aksellerometre beskrevet

her, som kan frembringe en betydelig bedring i nøyaktigheten både av hastighets- og kraftsignaler. Den første slike anordning benytter to aksellerometre montert sammen, med sine inngangs-eller kraftfølende akser parallell med den aksen rundt hvilken de blir vibrert. En annen anordning har begge aksellerometrene montert rygg mot rygg, med sine kraft-følgende akser motsatt hverandre og i rett vinkel med den aksen rundt hvilken de blir vibrert. Den tredje anordningen krever at aksellerometrene blir montert rygg mot rygg, med sine kraft-følende akser motsatt hverandre og med aksellerometrene vibrert i en lineær retning i rett vinkel med den kraft-følende akse.

De parrede anordninger beskrevet ovenfor gjør det mulig

å ytterligere adskille kraft-signalene fra hastighets-signalene ved summering og differensiering utgangssignalene fra de parrede aksellerometrene før signalene blir ført inn i en signal-adskillelseskrets.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå

av den nedenstående beskrivelse.

Oppfinnelsen er beskrevet bare ved eksempler, under henvisning til tegningene, hvor:

Figur 1 er et diagram som vil være en hjelp i forklaringen

av prinsippene med signal-adskillelse som beskrevet i den ovennevnte patentsøknad og benyttet i den foretrukne utførelse av den foreliggende oppfinnelse som

beskrevet her;

figur 2 er et blokk-diagram som illustrerer en form av ikke-gyroskopisk Inerti-målesystem basert på prinsippene av signal-adskillelse som beskrevet i den ovennevnte patentsøknad, og også inkludert i den foretrukne ut-førelse av den foreliggende oppfinnelse;

figur 3 er et diagram i likhet med det som er vist på figur

1, men modifisert slik at det omfatter vibrerende aksellerometre i henhold^ til den foreliggende oppfinnelse, istedenfor roterende aksellerometre som

vist på figur 1;

figur 4 illustrerer en form av vibrerende aksellerometer-enhet

konstruert ifølge den foreliggende oppfinnelse;

figur 5 er et diagram av et lukket sløyfe-drev for en aksellerometer-enhet, konstruert ifølge den foreliggende oppfinnelse;

figur 6 illustrerer skjematisk bruken av to vibrerende aksellerometre, hver i henhold til den konstruksjonen som f.eks. er illustrert på figur 4, montert i et rygg mot rygg-forhold for å balansere dynamiske krefter;

figur 7 illustrerer en annen form for vibrerende aksellerometer-enhet konstruert ifølge den foreliggende oppfinnelse, basert på bruken av en elektrisk moment-motor som roterende driver aksellerometrene, og en motbalanse-masse, gjennom en liten vinkel-oscillerende bevegelse; figur 8 illustrerer en tredje form for vibrerende aksellerometer-enhet konstruert ifølge den foreliggende oppfinnelse, basert på bruken av en stemmegaffel for nøyaktig balansering av de dynamiske krefter;

figur 9 er et blokk-diagram som illustrerer en elektromekanisk oscillator-anordning omfattende en stemmegaffel-type aksellerometer-enhet som den illustrert på figur 8;

figur 10 er et forenklet perspektiv-diagram av parrede aksellerometre med sine kraft-følsomme akser parallell med

en vinkel-vibrasjonsakse;

figur 11 er et forenklet perspektiv-diagram av parrede aksellerometre anordnet rygg mot rygg, med sine kraft-følsomme

akser i rett vinkel med vinkel-vibrasjonsaksen;

figur 12 er et forenklet perspektiv-diagram av parrede aksellerometre anordnet rygg mot rygg, med sine kraft-følsomme

akser i rett vinkel med den lineære vibrasjonsretning; figur 13 er et diagram i likhet med det på figur 3, brukt

til å illustrere virkemåten av den parrede aksellerometer-anordning på figur 10 i en tre-akse hastighets-føler-

figur 14 er et diagram av en type i likhet med det på figur

3, som illustrerer virkemåten av den parrede aksellerometer-anordning på figur 11 i en tre-akse hastighets-sensor;

figur 15 er et diagram av en type i likhet med det på figur

3, som illustrerer virkemåten av den parrede aksellero-meteranordning på figur 12 i en tre-akse hastighet-

og kraftsensor;

figur 16 er et side-riss av en mekanisme for å realisere den

parrede aksellerometer-anordning på figur 10;

figur 17 er et side-riss av en mekanisme for å realisere den

parrede aksellerometer-anordning på figur 11;

figur 18 er et side-riss av en mekanisme for å realisere den

parrede aksellerometer-anordning på figur 12, og

figur 19 er et blokk-diagram av en signal-adskillelseskrets

av den typen som er vist på figur 2, omfattende i tillegg en forprosessor-krets for å summere og differen-siere utgangssignalene fra aksellerometrene.

Før en beskrivelse av de forskjellige utførelser av oppfinnelsen som illustrert på figurene 3 til 8, tror man at det ville være nyttig med en foreløbig diskusjon av prinsippene for signal-adskillelse og det totale system for måling av spesielle kraft- og vinkelhastigheter i et legeme i bevegelse, begge som beskrevet i den ovennevnte patentsøknad, for å gi en bedre forståelse av den foreliggende oppfinnelse og dens fordeler, spesielt når den foreliggende oppfinnelse er benyttet i slike målesystemer.

Under henvisning til figur 1, er den generelle formel for total aksellerasjon som kan måles ved en punkt-masse som beveger seg i et roterende system:

hvor St er vinkelhastigheten eller hastighets-vektoren i systemet, F er spesifikk kraft-vektoren, og r er øyeblikks-avstanden av punkt-massen fra rotasjonssenteret i systemet. Spesielt er r = p + 1, hvor p er øyeblikks-vektoravstanden fra punkt-massen fra rotasjonssenteret, og 1 den faste avstand av elementets omdreiningssenter til systemets rotasjonssenter. Indeksen b indikerer differensiering i forhold til aksen av det roterende legeme. Formelen (1) kan nå omskrives som følger: ved å sette inn

hvor i, 2,°9^ er enhetsvektorer henholdsvis i retningene x,

y og z, omfattende støy-komponentene nx, ny og nz, å oppløse a i ax, ay, og a2la px= py = pz= p og omarrangere uttrykkene får vi

Hver av støy-signalene n = £nx, ny, nz ' antas å bestå av

tre komponeneter som følger:

n = nc+ nv<+>nr

hvor :

njj - lav frekvens støy

nv - periodisk eller tilfeldig kjøretøy-vibrasjons-støy

nr - tilfeldig null-middel høy-frekvens føler

støy

I det roterende aksellerometer-system illustrert i den ovennevnte patentsøknad, er det således i tillegg til de under-strekede, ønskede uttrykk i formlene (3) - (5) et flertall av uønskede uttrykk som potensielt bidrar til feil. Disse resulterer primært fra de dynamiske uttrykk som inneholder p, q og r og deres deriverte, og fra sensor-støy komponenter i n .

Som videre beskrevet i den ovennevnte patentsøknad, er

det et viktig trekk ved den oppfinnelsen at det frembringer et middel for å skille Fxfra q, Fy fra r, og Fzfra p, på

en slik måte at de uønskede uttrykk blir undertrykket til et tilstrekkelig lavt nivå slik at effekten av kryssprodukt-uttrykkene gp, gr og rp blir i det vesentlige eliminert.

En viktig fordel med bruken av vibrerende aksellerometre ifølge den foreliggende oppfinnelse er at de ortogonale yttrykk, f. eks. 2 6dpsin60t ^r + -~^- ) ^ f°rmelen (3) ovenfor (og det tilsvarende uttrykk i formlene (4) og (5) ovenfor) faller ut,

og dermed videre reduserer denne feilkilden i den roterende aksellerometer-anordning. Det vil si, da disse ortogonale uttrykk kommer av den roterende bevegelse av aksellerometeret,

er det ikke tilstede i oppfinnelsen av denne patentsøknad,

som omfatter en vibrerende bevegelse av aksellerometrene.

Figur 2 av den foreliggende søknad (som tilsvarer figur

4 av den ovennevnte patentsøknad) illustrerer i blokk-diagram form en ikke-gyroskopisk Inerti-måleenhet (IMU) som realiserer de ovenfor beskrevne prinsipper for signal-adskillelse i forhold til en kanal, nemlig den for aksellerometeret Az . Det må forstås at de øvrige to kanalene, for aksellerometrene Ax og Ay, er konstruert på lignende måte.

Enheten som er illustrert på figur 2 omfatter tre hoved-undersystemer, nemlig: en styrepuls-generator, generelt betegnet 2; et elektromekanisk drev, generelt betegnet 3, for å rotere hver av aksellerometrene i triaden illustrert på figur 1, og en elektronisk signal-adskillelsesprosessor, generelt betegnet 4 .

Styrepuls-generatoren 2 blir drevet av en frittløpende multivibrator 21 med en høy-presisjons referansefrekvens 4f (f = l/T). Multivibratoren styrer en firkantbølge-generator 22 som genererer firkantede bølger med en frekvens f. Disse firkantede bølgene blir brukt som synkroniserings-pulser.

De blir tilført en tilbakestill- og integrer-styrepulsgenerator 23 og til en samplingspuls-generator 24, hvilke generatorer blir brukt til å styre operasjonen av prosessoren 4, som skal beskrives mer spesielt nedenfor.

Synkroniseringspulsene fra firkantbølge-generatoren 22

blir også tilført en drivsignal-generator 31 inne i det elektromekaniske driversystem 3. Utgangspulsene fra generatoren 31 driver aksellerometrene i enheten 32, slik at aksellerometrene blir rotert rundt sine respektive akser ved en forutbestemt frekvens ( ) som er lik 2iyf. Når det legeme til hvilken aksellerometer-enheten 4 er festet blir utsatt for en spesifik kraft Fzog en vinkelhastighet p, genererer det et resulterende utgangssignal på az.

Aksellerometer-utgangssignalet azblir matet til prosessoren 4 for å skille ut den spesifike kraft-vektor Fzog vinkelhastig-hetsvektoren p på en slik måte at man i det vesentlige undertrykker de uønskede komponenter av signalet azi henhold til formlene (3) - (5) og (6) - (8) som diskutert ovenfor. I

dette tilfellet snakker vi om komponentene Fzog p, slik at-

det er formelen (5) som er den interessante.

Prosessoren 4 omfatter således en multiplikator eller fortegn-endringskrets 41 for å multiplisere de produserte verdier azmed null-middel-funksjonen "sgncosWt", og å gi utgangssignalet azsgncos b) t. Det siste signalet blir matet til en integreringskrets 42 som integrerer produkt-signalet over syklus-perioden T. Integreringskretsen 42 tilbakestilles ved slutten av perioden T ved styrepuls-generatoren 23, men før den tilbakestilles sender den ut sitt innhold til sample-and-hold krets 43, som blir styrt av sampling-puls-generatoren 24. Som beskrevet ovenfor forårsaker denne behandling av aksellerometer-utgangs - signalet azat innholdet av sample-and-hold kretsen 43 tilsvarer vinkelhastighets-komponenten "p".

Aksellerometer-utgangssignalet azblir også matet til

den annen kanal inne i prosessoren 4, omfattende en annen integreringskrets 44 som integrerer signalet over perioden T. Integreringskretsen 44 blir også stilt tilbake ved slutten

av perioden T ved styrings-pulsgeneratoren 23, men like før den blir tilbakestilt sender den ut sitt innhold til en annen sample-and-hold krets 45, styrt av samplings-puls-generatoren 24. Man vil forstå fra den tidligere diskusjon, at innholdet av sample-and-hold kretsen 44 vil tilsvare spesifik kraft-vektoren Fz.

Man kan henvise til den ovennevnte patentsøknad for en videre beskrivelse av totalsystemet og de fordeler som frem-bringes ved prinsippene med signal-adskillelse på hvilken systemet er basert. Det må forstås at de samme fordelene vil gjelde den foreliggende oppfinnelse, når den realiseres i et slikt målesystem i tillegg til de videre fordeler som kan oppnås med den foreliggende oppfinnelse, som nærmere beskrevet nedenfor.

I korthet anvender den foreliggende oppfinnelse vibrerende aksellerometre for å generere aksellerometer-utgangssignalene fra hvilke blir utledet komponentene av den spesifike kraft-vektor F og komponentene av vinkelhastighets-vektoren Si. , mens den vesentlig undertrykker de uønskede komponenter av slike signaler. Dette er illustrert på figur 3, som ligner på dia-grammet på figur 1, men som omfatter vibrerende aksellerometre istedenfor roterende aksellerometre. Figur 3 illustrerer således en triade av aksellerometre Ax, Ay, Azanordnet for å vibrere ved en amplitude "p" og en frekvens " Oi" i (x, y), (y, z) og

(x, z)-planene, med de følsomme inngangsakser som vist, på

linje med x, y, z retningene.

Spesifike vibrerende aksellerometer-mekanismer som illustrert på figurene 4 til 9 skal beskrives nedenfor. Disse figurene illustrerer bare en kanal, nemlig den for aksellerometeret Az , hvor den aksellerometer-følsomme akse for spesifik kraft-vektoren er Z-aksen, og vibrasjonsaksen er Y-aksen, den følsomme akse for vinkelhastighets-vektoren er X-aksen. Aksellerometeret A2vibrerer således langs Y-aksen, måler den spesifike Inerti-kraft og vinkelhastigheten av det bevegelige legeme

i forhold til aksene Z og X. Man vil forstå at de andre to kanalene, dvs. for aksellerometrene Ax og Av, er lignende konstruert og gir tilsvarende målinger for sine respektive akser. Fortrinnsvis er vibrasjonsfrekvensen (( A ) av aksellerometrene

i alle de beskrevne utførelser 30-60 Hz, og forskyvningen under den vibrerende bevegelsen er typisk i området fra 0,25-3 mm.

Som indikert ovenfor er en av hoved-fordelene med bruken

av vibrerende aksellerometre istedenfor roterende aksellerometre, at de ortogonale uttrykk i formlene (3) - (5) (f.eks. 2ti)psin£Jt ^r<+>2~£j"^ ^ f°rinelen 3) ikke eksisterer, og derfor tillater meget stor forbedring i total virkning. Mange andre fordeler er mer spesielt beskrevet nedenfor.

Aksellerometer-enheten illustrert på figur 4, generelt betegnet 50, omfatter et ytre sylindrisk hus 52 som inneslutter et aksellerometer 54 inneholder en aksellerometer-prøvemasse 56. Aksellerometer-enheten 54 bæres av en monteringsplate 58, elastisk montert inne i huset 52 ved hjelp av en elastisk membran 60, som begrenser bevegelsen av aksellerometer-enheten 54 bare til Y-aksen som er vibrasjonsaksen og perpendikulær med Z-aksen, som er følsom for spesifik kraf t-vektoren i aksellerometer-enheten, som nevnt ovenfor.

Drivanordningene for å vibrere aksellerometer-enheten

54 langs Y-aksen omfatter en permanent magnet 62 av sylindrisk konstruksjon, festet inne i huset 52 ved en ende av dette og utformet med en sylindrisk luftåpning 64, koaksiell med Y-aksen for vibrasjon av aksellerometer-enheten. Drivanordningen omfatter videre en driverspole 66, båret på en sylindrisk spoleform 68 festet på aksellerometer-monteringsplaten 58 inne i den sylindriske luftåpningen 64 og koaksiell med vibrasjonsaksen Y. Driverspolen 66 er innrettet til å motta sinusformet driverstrøm for å generere en kraft som forårsaker at aksellerometer-enheten 54, inklusive prøvemassen 56 og monteringsplaten 58, beveger seg i en sinusfunksjon langs Y-aksen som begrenset av fjærkraften i membranen 8. Aksellerometer-enheten illustrert på figur 4 omfatter videre en opptaksanordning anbragt inne i huset 52 og koblet til aksellerometer-enheten 54 og dens masse 56 for å måle hastigheten av forskyvning langs Y-aksen for vibrasjon. En slik opptaksanordning kan omfatte en annen permanent.magnet 70 (eller en jernfri feltspole) og en opptaksspole 72 som virker sammen med denne på den andre ende av huset 52. Permanent magnet 70 er også av sylindrisk utforming, men med meget mindre dimen-sjoner enn drivermagneten 62, og er også utformet med en sylindrisk luftåpning 74, og opptaksspolen 72 blir også båret av en sylindrisk spoleform 76, festet til aksellerometer-enheten 54 slik at opptaksspolen 72 er anbragt inne i luftåpningen 74 og er koaksiell med Y-aksen for vibrasjon av aksellerometer-enheten.

Aksellerometer-enheten illustrert på figur 4 omfatter videre en første gruppe av eksterne terminaler 77 forbundet med elektriske ledninger (ikke vist) til driverspolen 66 for å mate driverstrømmen og opptaksspolen 76 som måler bevegelsen av aksellerometeret 54, og en annen gruppe av eksterne terminaler 78 forbundet med elektriske ledninger (ikke vist) til interne terminaler 79 båret av aksellerometer-enheten 54 for å mate kraftforsynings-spenningen og utgangssignalene til og fra aksellerometer-enheten 54 .

Man kan således se at den sinusformede driverstrøm

(I = Imsin&)t) som mates inn i driverspolen 66 utøver en kraft som er proporsjonal med den og som forårsaker at aksellerometer-enheten 54, inklusive dets masse 56 og monteringsplate 58, vibrerer som en sinusfunksjon langs Y-aksen som begrenset av den elastiske membran 60 på samme måte som eksiteringen av en høytaler. Opptaks-spolen 72, som beveger seg med aksellerometer-enheten 54, induserer en spenning, proporsjonal med hastigheten av sinusbevegelsen av aksellerometer-enheten 64, den målte hastighet av bevegelsen langs Y-aksen for vibrasjon (nemlig y) som blir sendt ut via terminalene 77. Hvis bevegelsen på grunn av I = Imsin«Jt er y = ymsin((Jt + j>) = p sin ( 0J t +

hvor ^ er et faseskifte på grunn av den dynamiske forsinkelse av den bevegelige enhet, er den tilsvarende hastighet y = p U) cos ( u) t + § ) . Signalet som sendes ut av opptaksspolen 72 utgjør den målte hastighet (y) av den bevegelige enhet, omfattende aksellerometer-enheten 54.

Figur 5 illustrerer hvordan denne målte hastighet (y),

sendt ut ved opptaksspolen 72, også blir brukt til å utøve en lukket sløyfe-styrt bevegelse av aksellerometer-enheten 54 ved å styre forsyningen av driverstrøm til driverspolen 66 .

Styringssignal-generatoren 80, synkronisert av inngangs-pulsene 81, genererer således signalet V = Vm cosfjt, som blir matet via ledningen 82 til en differensial effektforsterker 84. Utgangen av forsterkeren 84 er forbundet ved ledningen

86 med driverspolen 66 i aksellerometer-enheten illustrert på figur 4, og driver dermed enheten ved hjelp av en strøm I = Im sin(W t + ). Den sistnevnte strøm produserer kraften

F = Fm sin( U) t + f), som forårsaker bevegelsen (indikert ved utgangspilen 88) y = p Wcos( b) t + $ ) . Sistnevnte bevegelse blir mottatt av opptaksspolen 72 på figur 4, og blir matet via ledningen 90 inn i en annen inngangsterminal av differensial-effektforsterkeren 84. Den lille forskjellen mellom signalene på ledningen 90 og signalet V = Vm cos&Jt blir forsterket og skaper drivsignalet I = Imsin(C0 t + ^ ) .

Anordningen på figur 5 er en negativ tilbakekoblings-sløyfe med en total sløyfeforsterkning L som bestemmes av forsterkningen i forsterkeren 84 og opptaket 82. For de som er kjent med denne teknikken er det klart at man ved å anordne L >>1, er man sikret at y vil nært følge V = Vm cos t, og at en mulig kraft-forstyrrelse F^, vist skjematisk via den prikkede linje 92, vil eksitere en forstyrrelse i hastigheten y gitt vedYd— Fd/L- Da L»l, kan y^bli nedtrykt til et neglisjerbart

lavt nivå, og dermed tvinge aksellerometer-enheten 54 og massen 56 på figur 4 til i praksis å virke som et stivt legeme i forhold til forstyrrende krefter langs Y-aksen.

Man ser således at lukket sløyfe-driversystemet på figur

5 anordner en vel regulert og kontrollert sinusformet lineær hastighet langs Y-aksen. Forsterkeren 84 er slik konstruert når det gjelder frekvens-respons at lukket sløyfe-overførings-funksjonen på figur 5, betegnet ved H(W) 4 y ( )/Vj_ ( 6J ) , er

flat opptil en båndbredde "b", slik at b>>u , og faseskiftet

^ ="£H( tø ) ved driverfrekvensen tø , er praktisk talt null. Ved høy-forsterknings, tilbakekoblings driversystem genererer den nødvendige bevegelse med en neglisjerbar ikke-lineær- og faseforvrengning.

To aspekter av stor viktighet skal nå demonstreres:

(1) stor båndbredde og liten fase-forvringning av lukket sløyfe-systemet; og (2) immunitet mot ikke-lineær forvreingning på grunn av hastighets-opptaksspolen 72. (1) Med hensyn til aspekt (1) ovenfor, er åpen-sløyfe overføringsfunksjonen av den elektrodynamiske driv gitt ved:

F = BU * Blu/Rc;hvor ;B = magnetisk induksjon; 1 = lengden av driverspolen; ;Rc= motstanden av driverspolen; ;J a u/Rc; og;u = inngangsspenning ved spoleterminalene. ;Hvis nå;m = massen av den bevegelige enheten; ;b = dempnings-koeffisienten; og c = fjærkonstanten av membranet, ;er: ; ; Om vi antar at f.eks. A cf 100, er det klart at AKH er;i størrelsesorden av IO<5>r IO<6>. Dermed er AKH» 2 G)n zeta,;og forholdet y JS — Vj_ holder over en meget bred båndbredde slik at fase-forvrengningen 4 kan gjøres neglisjerbart liten for eksiterings-frekvenser på 30-60 Hz. ;1 (2) Når det angår aspekt (2) ovenfor, siden y Sl ^ Vj_ kan vi skrive y = hV-j hvor h = ^n. La en mulig ikke-lineæritet uttrykkes som følger: ;y hQV± + hiV^;For V i = V^mcos 4/t har vi:; ; Det er klart at operasjonen av sgncos tøt i signalsadskillelses-prosessoren, og integreringen over syklusperioden T forårsaker ;hl<v>im<2>h1Vim<2>cos2tøt ;at bidragene på grunn av —^°92faller. Hatighets-opptakssensoren 72 er således ikke kritisk for kravene til lineæritet. ;Det vil bli forstått, at når oppfinnelsen blir anvendt;på en fastbundet type Inerti-styringssystem, vil aksellerometer-enheten 50, som illustrert på figur 4, omfattende en lukket sløyfe-driver som illustrert på figur 5, bli anvendt for hver av de tre aksene, med det ytre huset 52 av aksellerometer-enheten montert på fartøyet (dvs. legemet i bevegelse). ;I en stabil kardang montert plattformtype av Inerti-styringssystem, ville det ytre huset 52 av aksellerometer-enheten 50 for hver akse bli anvendt på det indre kardang-oppheng på platt-formen. ;Ved begge anvendelser kan den vibrerende bevegelse av aksellerometer-enheten forårsake reaktive krefter som virker på støtten for det ytre huset 52. For å unngå disse uønskede ubalanse-kreftene, kan to vibrerende enheter, som vist ved 50a og 50b på figur 6, monteres rygg mot rygg, med en enhet omfattende et aksellerometer som beskrevet ovenfor vibrerende synkront med, men i motsatt retning av den andre enheten som vibrerer en motbalanse-masse, slik at man får dynamisk balanse av aksellerometer-enheten. ;Figur 7 illustrerer en annen type av vibrerende aksellerometer-anordning, nemlig en i hvilken aksellerometeret blir rotert ved en elektrisk moment-motor gjennom en liten vinkel-svingende bevegelse (f.eks. noen få grader) som gjør den vibrerende bevegelse nesten rettlinjet. Aksellerometerets følsomme akse er parallell med rotasjonsaksen. En passende balanse-masse er anordnet for dynamisk balanse av aksellerometeret under dets svingende bevegelse, slik at ingen eksterne krefter blir overført til det legemet på hvilket enheten er montert. ;Aksellerometer-enheten illustrert på figur 7, hvor det;er generelt betegnet 100, omfatter således et ytre sylindrisk hus 102, roterbart montert på en aksel 104 via roterende lagre ;106 og 108. Til akselen 104 er det festet en skive eller plate 110, som tjener som en støttedel for å støtte en aksellerometer-enhet 112 med en prøvemasse 114. Skiven 110 bærer også ;en motbalanse-masse 116 på den motsatte side av skiven.;Skiven 110 blir drevet gjennom en liten vinkel-svingende bevegelse ved hjelp av en elektrisk moment-motor, omfattende en stator 118 festet til huset 102 og en rotor 120 festet på akselen 104. En opptaks-rotor 122 er festet til den motsatte ende av akselen 104, og er anbragt inne i en opptaks-stator 124 festet til huset 102. ;De elektriske forbindelser kan være de samme som illustrert på figur 5, hvor differensial-effektforsterkeren 84 mater driver-strømmen til lederne for moment-motorens stator 118 for å drive dens rotor 120, og dermed aksellerometeret 112 og motbalanse-massen 116 festet til motor-rotoren 120, gjennom en liten vinkel-svingende bevegelse med en amplitude " ". Dette vil forårsake forskyvningen y «f ry , hvor "r" er radien fra rotasjonsaksen 130 av akselen 104 til tyngdepunktet av aksellerometerets prøve-masse 114. Hvis "y = YmsinftJt, er y = ruyracos Wt, pekende inn i papirets plan. Det vil bli forstått at den oscillerende bevegelse av aksellerometeret 112 inn i og ut av papirets plan er i det vesentlige lineær langs en akse som er perpendikulær med den følsomme Z-akse i aksellerometeret. ;Som et eksempel kan "r" være omkring 3 cm; vinkelsvingnings-bevegelsen kan være noen få grader; og amplituden av forskyvningen av aksellerometeret kan være 0,25-3 mm. ;Opptaket 122 festet til akselen 104 føler vinkelhastigheten;tymcos t • Som i tilfellet med opptaket 72 på figur 5,;kan utgangen av opptaket 122 på figur 7 være forbundet som en tilbakekobling inn i differensial-forsterkeren 84, til hvilken driverspenningen Vj_ = Vmcos o0t blir matet via ledningen 82. Vinkelhastigheten y i anordningen på figur 7 bevirkes til å ;følge nært med drivspenningen V-j_ = Vmcoswt.;Denne anordningen illustrert på figur 7 har et antall fordeler over det som er beskrevet ovenfor under henvisning til figurene 4-6, inklusive enklere mekaniske deler, høyere presisjon av bevegelses-realisering, og i det vesentlige total immunitet mot lineære aksellerasjoner i alle akser. ;Figur 8 illustrerer en tredje type vibrerende aksellerometer-enhet, nemlig en som bruker en stemmegaffel, som kan anordnes for hver følsomme akse av det bevegelige legeme for å frembringe dynamisk balanse av kreftene, så vel som viktige fordeler som skal beskrives nedenfor. Figur 9 illustrerer en måte for å forbinde den vibrerende aksellerometer-enhet på figur 8 slik at den utgjør en elektromagnetisk oscillator for å opprettholde svingninger i stemmegaffel-aksellerometer-enheten med bare en liten mengde inngangseffekt, tilstrekkelig til å erstatte den energi som blir tapt til friksjon. ;Det henvises først til figur 8. Den vibrerende aksellerometer-enhet, generelt betegnet med 200, omfatter et ytre sylindrisk hus 202 i hvilket er montert en stemmegaffel 204, omfattende et par grener 204a og 204b. Grenene strekker seg parallelt med den sensitive akse for den respektive aksellerometer-enhet, som er Z-aksen på figur 8, og dermed perpendikulært med vibrasjonsaksen for aksellerometer-enheten, som er Y-aksen på figur 8. Stemmegaffelen 204 er montert inne i huset 202 ved hjelp av en monteringspost 206, festet til et mellomledd 204c på stemmegaffelen. ;Huset 202 omfatter videre en annen post 207 på linje med posten 206, men adskilt fra denne, og også fra mellomleddet 204c av stemmegaffelen 204. Posten 208 blir brukt for å montere, på en siden en permanent magnet 210 som virker sammen med en drivespole 212, og på den annen side en permanent magnet 214 ;som virker sammen med en opptaksspole 216. De to permanente magnetene 210 og 214 er av sylindrisk utforming, og omfatter sylindriske luftrom i hvilke er plassert deres respektive driverspole 212 og opptaksspole 216, og hver av spolene blir båret på sylindriske spoleformer 218 og 220 festet til de indre over-flater av de to grenene 204b og 204a. ;På den ytre overflate av grenen 204b av stemmegaffelen;er det ved hjelp av en festeanordning 222 festet en aksellerometer-enhet 224 med en masse 226. På lignende måte er det på den ytre overflate av grenen 204a av stemmegaffelen festet en annen masse 228 for å gi en motbalanse for aksellerometer-enheten 224 og dens masse 226. ;De elektriske forbindelser til driverspolen 212 og opptaks-spolen 216, såvel som til aksellerometer-enheten 224, er anordnet ved terminalene 230 og 232 som strekker seg utenfor huset 202, og terminalene 234 inne i huset og forbundet med aksellerometer-enheten 224. ;Det må forstås at stemmegaffelen 204 på figur 8 vibrerer;ved sin naturlige frekvens, og dermed forårsaker at aksellerometer-enheten 224 og dens masse 226 på grenen 204b beveger seg synkront med, men i motsatt retning av, motbalanse-massen 228 på grenen 204a. Det utøves således ingen netto kraft mot huset 202, og derfor ikke på noen støtte til hvilken den vibrerende aksellerometer-enhet 200 er festet. Som beskrevet ovenfor under henvisning til figurene 4-6, ville denne støtte ha vært selve det bevegelige legeme i en fastbundet utførelse, og det indre opphenget av en plattform i en stabil kardang-plattform-anvendelse. Anordningen som er illustrert på figur 8 frembringer således en høy grad av dynamisk balanse. ;På grunn av friksjon og dempning, ville svingningene av stemmegaffelen 204 avta til null på relativt kort tid. For å opprettholde svingningene i lengre tid kan den vibrerende aksellerometer-enhet 200 illustrert på figur 8 være forbundet slik at den utformer en elektromekanisk oscillator, som illustrert på figur 9. ;Som vist på figur 9 blir således signalet over mottaks-spolen 216 matet til en forsterker 240, hvis utgangssignal er forbundet med inngangen av driver-spolen 212. Forsterkeren 240 er av en slik polaritet at den forsterker en første forskyvning av grenene 204a, 204b av stemmegaffelen 204. Systemet virker således som en elektromekanisk oscillator med en frekvens som bestemmes av stemmegaffelens naturlige frekvens. Denne naturlige frekvens kan brukes til nøyaktig å synkronisere fre-kvensen av den frittløpende multivibrator 21 på figur 2. ;Forsterkeren 240 er fortrinnsvis av en ikke-lineær type,;som omfatter en mettings-innretning slik at den tvinger den totale elektromekaniske oscillator til å stabilisere seg med en bestemt amplitude. ;Man kan således se at stemmegaffel-aksellerometer-enheten illustrert på figurene 8 og 9 frembringer et balanserende dynamisk system på grunn av de kontrabevegelige massene, og krever bare en liten mengde av effekt for å drive spolen 212, bare for å erstatte den energi som tapes til friksjon. Enheten, som er en skarpt avstemt oscillator, avviser mekaniske forstyrrelser i vibrasjonsaksen (Y-aksen på figur 8) hvis det ikke er nøyaktig ved resonansfrekvensen. Videre er strukturen iboende stiv i aksellerometerets følsomme akse, nemlig Z-aksen. Videre, ;da enheten virker ved den naturlige frekvens og synkroniserer multivibratoren 21 i styringspuls-generatoren 2 på figur 2, ;er det ikke noen f asef orskyvning mellom cos £»>t og sgncos Wt. Aksellerometer-enheten er også meget enkel, og kan konstrueres ;med lave kostnader.;Fordelene som kan oppnås ved bruk av det vibrerende aksellerometeret som beskrevet ovenfor, muliggjør konstruksjon av IMU ;som teoretisk har meget høyere middeltid mellom feil (MTBF);enn både gyroskop-typen og den roterende aksellerometer-typen av IMU. ;Mens oppfinnelsen er beskrevet med hensyn til flere foretrukne utførelser, må det forstås at disse er fremmet bare som eksempler. Det er således mange andre mulige anordninger for å generere den vibrerende bevegelse, f.eks. ved bruk av mekaniske innretninger så som kammer eller forbindelsesledd for å omforme roterende bevegelse så som fra en elektrisk motor (fortrinnsvis synkronmotor), til den vibrerende bevegelse. ;Mange andre variasjoner, modifikasjoner og anvendelser av oppfinnelsen vil være åpenbare. ;Betydelige forbedringer i signalstyrke for både kraft-;og hastighetskanalen kan oppnås sammen med en reduksjon i signal-støy når et par aksellerometre, istedenfor et enkelt aksellerometer som vist på figur 3, blir brukt for hver rotasjonsakse. Forenklede illustrasjoner av tre anordninger med parrede aksellerometre er vist på figurene 10-12. En betydelig fordel ved å ;bruke aksellerometre anordnet i par, som vist på figurene 10-12, er at støy som er tilstede både i kraft- og hastighetskanalen på figur 2, blir øket bare med kvadratroten av 2, mens de effektive kraft- og hastighetssignaler blir fordoblet. ;Dette frembringer en effektiv økning av signal/støy-forholdet;på kvadratroten av 2. I tillegg blir felles aksellerasjons-forstyrrelser i hastighetskanalen på grunn av eksterne krefter som kan resultere fra fartøys- og mekaniske kilder i det vesentlige kansellert i denne type anordning. ;Den første anordning med parrede aksellerometre er illustrert på figur 10, hvor et par aksellerometre 300 og 302 er montert på en vinkel-roterende base 304 som vibrerer rundt Z-aksen 306 som indikert ved pilene 308. De kraft-følende akser ;Az og Az av aksellerometrene 300 og 302 er på linje, slik at;de er parallelle med Z-aksen 306 rundt hvilken støtten 304 vibrerer. Da anordningen på figur 10 omfatter et par aksellerometre med sine kraft-følende akser a| og a| parallelle med vibrasjonsaksen 306, vil denne anordningen heretter bli henvist til PAPVA-anordningen. ;En annen anordning med parrede aksellerometre er vist;på figur 11, hvor to aksellerometre 310 og 312 er montert på;en støtteanordning 314 som vibrerer vinkelmessig rundt Z-aksen indikert ved 318, som foreslått ved pilene 316. I denne anordningen er aksellerometrene 310 og 312 festet til støtte-anordningen 314 i en rygg mot rygg-anordning, slik at de kraft-1 2 følende akser Ax og Ax er parallelle, men i motsatt retning, ;og er normale med vibrasjonsaksen 318. Denne anordningen vil heretter bli kalt PANVA-anordningen for å betegne et par aksellerometre som er utsatt for vinkel-bevegelse med deres kraft-følende akser normale med aksen for vibrasjon eller vinkel-bevegelse . ;Den tredje anordningen er illustrert på figur 12, hvor;et par aksellerometre 320 og 322 er anordnet rygg mot rygg med sine kraft-følende akser A^ og Ay plassert i parallelle men i motsatte retninger. I denne anordningen blir aksellerometrene 320 og 322 bragt til å vibrere i en lineær retning langs X-aksen, som indikert ved pilene 324 og 326. For beleilig-het vil denne anordningen heretter bli kalt PLNVA på grunn av det faktum at det er en anordning med parrede aksellerometre som bringes til å vibrere på lineær måte langs en vibrasjonsakse som er normal med den kraft-følgende akse. ;Figurene 13-15 svarer til PAPVA-, PANVA- og PLNVA-anordningene på figurene 10-12, og frembringer en konsept-illustrasjon av hvordan de parrede aksellerometrene kan anordnes i triader. ;På figurene 13-15 er aksellerometrene betegnet ved deres kraft-følende akser A^, A^, A^, Ay, a| og a| og frembringe kraft- ;og vinkelhastighet-føling langs og rundt de ortogonale akser X, Y og Z. Anordningene vist på figurene 13-15 passer forbruk ;i et Inerti-referansesystem som videre kan bli brukt i et Inerti-navigasjonssystem. ;I PAPVA-mekanismen som vist på figurene 10 og 13, kreves det seks aksellerometre, namlig A^, Ax, Ay, Ay, Azog a| Aksellerometer-parrene blir vibrert ved en konstant vinkel frekvens60 og med konstant vinkel-amplitude Prinsippene med kraft- og vinkelhastighets-signaladskillelse er i det vesentlige den samme som illustrert på figur 2. Aksellerometer-ut-gangene inneholder de samme grunn-informasjoner for vinkel-rotasjonA og kraft F, selv om det egentlige signalinnholdet er noe forskjellig. ;I utvikling av ligninger som beskriver signalinnholdet;av aksellerometrene på figur 13, er øyeblikks-avstanden av hvert aksellerometer fra fartøyets rotasjonssenter gitt ved: ; ; og definerer;6= 6MSut (7);= u 6 ..Cut (8);M ;mens man antar: {<<l;Sin 6 * 6 = 6MS wt (9)

Cos 6 1-1/2 £M.<2>S<2>ujt (10)

og definerer:

L 5M<=>P/2

Ved å sette ligningene (6) - (10) inn i ligningen (1) og oppløse, får man de følgende aksellerometer-utgangsligninger:

Før det går inn i signal-presessoren på figur 19, blir aksellerometer-signalene forbehandlet som summer og differanser som vist på figur 19 i henhold til den følgende matriseligning: Om man antar igjen at F. og il er i det vesentlige konstante i intervallet T, forsvinner alle tids-deriverte i ligningene (11) - (16). Ved å sette inn i ligningen (17) og oppløse, får vi:

Det er således oppnådd to fordeler gjennom den parrede mekanisering, alle spesifik kraft-komponenter er fjernet fra aksellera-sjons-signalene i ligningene (18) - (20), og alle vinkelhastighets -komponenter er fjernet fra signalene i ligning (21).

Dette gir en betydelig forbedring i avkoblingen av F fra .fl.. Felles modus støy-uttrykk på grunn av fartøys-støy er også fjernet fra SL -kanalen, som man kan se fra ligningene (18) - (20).

For å oppnå estimater for p, q og r som definert av ligningene

(22) nedenfor

settes p. q og f i ligningene (18) - (20) inn i ligningen (22). og for å oppnå et estimat for Fx, Fy og Fzsom definert ved ligning (23) nedenfor,

Settes Fx. Fy og Fzi ligning (21) inn i ligning (23). De tilsvarende resultater er:

p, q og f er således nøyaktig bestemt, unntatt en konstant kjent skala-faktor, og fx. Fy og £z er de samme som bestemt tidligere.

Man kan se fra ligningene ovenfor at utgangssignalene

som oppnås i mange henseende er ekvivalent med mekaniseringen som bruker et enkelt aksellerometer. Effekten av fartøys-støy i /X kanalen blir også nesten kansellert på grunn av den felles modus avvisning som oppnås gjennom aksellerometer-parringen,

som indikert ved ligningen (24). Gradienter i fartøys-støy langs L holder imidlertid en del støy i Si. kanalen. Da L normalt vil være noen få centimeter, blir fartøys-støy således ikke

fullstendig kansellert. Gjennom mulig resterende vinkel-vibrasjon i drivaksen. kan resterende, synkron og ukontrollert støy bli beholdt og oppstå som en ukjent forspenning i St kanalen. Mekaniseringen på figur 13 er også i prinsippet dynamisk balansert .

Som illustrert på figur 14, blir seks aksellerometre A^.

Ax, Ay. A^ Az, og a| brukt i PANVA-mekaniseringen. Igjen blir aksellerometrene vibrert ved en vinkelfrekvens 0& og vinkel-amplitude p. Aksellerometerutgangene inneholder St og F-informasjon som før, men med forskjellige dynamiske uttrykk i tillegg. Som med PAPVA-mekaniseringen på figur 13, er grunnprinsippene

for signal-adskillelse uendret. Denne mekaniseringen har også fordelen med i hovedsak perfekt fartøys-støy avvisning.

I henhold til anordningen vist på figur 14, er øyeblikks-avstandene av hvert aksellerometer fra fartøyets rotasjonssenter:

Da aksellerometer-inngangsaksene i denne mekaniseringen endrer retning i forhold til legemets akser, blir de følte komponenter • modulert. Inngangs-aksene varierer f.eks. i henhold til 3 :

£cos i.i,0.j,Sin £ .kj .

Hvis man benevner total aksellerasjon som ville bli følt langs legemets akser i tilfelle av ideell parallell bevegelse med ax, ay og a|. vil de virkelige aksellerasjoner som føles av de vinkel-vibrerende aksellerometre bli gitt ved:

Med ligningene (7) - (10) og innsetting av ligningene

(26) og (27) i ligning (1) og oppløsning, kan virkelig aksellero-meterpar-utgang for a^ og ax representeres ved:

Lignende ligninger for a<y>, ay, a| og a| resulterer fra denne innsettingen.

Da PANVA-mekaniseringen på figurene 11 og 14 er rygg mot rygg, er for-behandlingsoperasjonen av figur 19 for PANVA-anordningen representert ved den følgende matriseligning: Innsetting av ligningene (28) og (29) sammen med lignende ligninger for a<y>, a<y>, a| og a| i ligning (30), og antatt at F og A er konstant gjennom perioden T, resulterer det i:

med lignende ligninger for a£ og a§ og ligning (32) nedenfor f FF

for axx og lignende ligninger for ayy og azz.

Innsetting av ligningene for vinkelhastighets-komponentene av aksellerasjonene, så som ligning (31), og ligningene for kraft-komponentene i aksellerasjonen, så som ligning (32) i ligningene (22) og (23) resulterer i:

Innsetting av ligningen (36) nedenfor i ligning (1) og oppløsning gir de følgende ligninger for ax og ax:

med lignende ligninger for ay, ay, a| og a| som også resulterer fra denne innsettingen.

Innsetting av ligningene (36) og (37) sammen med ligningene for ay, ay, a\ og a| i ligning (30), og antatt at F og il er konstante gjennom perioden T, gir:

Her finner man som før p, q, r, Fx, Fy og Fzved å sette ligningene (38) - (43) inn i ligningene (22) og (23). Resultatene blir:

f

I denne mekaniseringen blir derfor alle felles-modus fartøys-støykomponenter i hovedsak eliminert som i PANVA-mekaniseringen.

Det lille periodiske avvik av to fra nøyaktig kolinearitet med inngangsaksene varierer i henhold til S ui t. Mulig støy på

grunn av f artøys-aksellerasjon blir således eliminert ved Sgn(C Wt)-operasjonen av prosessoren på figur 19. Sentripetal-kraft på grunn av periodisk eksitering eksisterer ikke i PANVA-mekaniseringen.

På figurene 16 til 18 er det illustrert apparater for realisering av PAPVA-mekaniseringen på figur 10, PANVA-mekaniseringen på figur 11, og PLNVA-mekaniseringen på figur 12. Apparatet for mekaniseringen av PAPVA-mekanismen er vist på figur 16, og omfatter et hus 330 med et par inngangs/utgangs-plugger 332 og 334. Festet til huset 330 ved hjelp av et par lagre eller fleksible forbindelser 336 og 338 er en aksel 340. De parrede aksellerometre 300 og 302 er montert på aksellerometer-støtterammen eller delen 304 som i sin tur er festet til akselen 340 for å rotere med denne. Roterende vibrasjon av akselen 340 er anordnet ved en motor som omfatter en rotor 342 forbundet med akselen 340 og en stator 344 festet til huset 330. Signaler som gir enten posisjons- eller hastighetsopplysninger for et tilbakekoblingssignal til en driv-servo som ville styre amplituden X av akselens vibrasjon 340 kan oppnås ved opptaks-anordningen, betegnet generelt ved 346.

Et apparat for realisering av PANVA-mekaniseringen er anordnet på figur 17, hvor aksellerometrene 310 og 312 er montert på støtte-anordningen 314 som i sin tur er festet til en aksel 348. Akselen 348 er roterbart festet inne i huset 350 ved hjelp av et par lagre eller fleksible forbindelser 352 og 354. Vinkel-vibrasjon av akselen 340, og derfor aksellerometrene

310 og 312 er anordnet ved en elektrisk motor som omfatter en rotor 356 festet til akselen 348 og en stator 358 festet til huset 350. Signaler for bevegelsen av aksellerometrene 310 og 312 kan oppnås ved opptaks-anordningen som er indikert generelt ved 360 for å frembringe en negativ tilbakekobling for en driv-servo som styrer amplituden $ av vibrasjonen av akselen 348.

En anordning for realisering avPLNVA-mekaniseringen på

figur 12 er illustrert på figur 18. I denne spesielle reali-seringen er lineær translasjon av aksellerometrene 320 og 322

langs aksene 324 og 326, som vist på figur 12, anordnet ved

en mekanisme som omfatter en støtte-ramme 362 som holder aksellerometrene 320 og 322, som er festet til et hus 364 ved hjelp av et par fleksible forbindelser 366 og 368. Et forbindelses-element 370 ligger an mot den nedre del av aksellerometer-støtte-rammen 362, og er festet til en aksel 372. Akselen 372 er roterbart festet inne i huset 364 ved hjelp av et par lagre eller fleksible forbindelser 374 og 376. En elektrisk motor, omfattende en rotor 378 festet til akselen 372, og en stator 380 festet til huset 364 vil forårsake at skaftet 372 roterer eller vibrerer frem og tilbake gjennom en begrenset vinkelrotasjon. Når akselen 372 roterer fram og tilbake gjennom en liten vinkel, vil forbindelseselementet 370 bringe aksellerometrene 320 og 322 til å bevege seg i retninger som i hovedsak er i rett vinkel med de kraft-følsomme akser A^ og Ay. Som en følge kan det oppnås i det vesentlige lineær bevegelse av aksellerometrene 320 og 322 i en retning i rett vinkel med deres kraft-følsomme akser, ved bruk av mekanismen på figur 18. Signaler som representerer vinkelstilling eller hastighet av akselen, for bruk av en driv-servo kan oppnås ved hjelp av opptaks-anordningen indikert generelt ved 382.

Den foretrukne utførelse av en signalprosessor for å skille kraf t-signalene F fra vinkelhastighets-signalene XI. for den parrede aksellerometer-mekanisering på figurene 10 til 13,

er illustrert på figur 19. Grunnoperasjonen av prosessorkretsen vist på figur 19 er den samme som signal-adskillelseskretsen på figur 2. Styringspuls-generatoren 2 er f.eks. det samme som vist på figur 2, med en linje 384 som forbinder firkantbølge-generatoren 22 som vist på figur 2 med driv-signalgeneratoren 31. På lignende måte blir utgangen av tilbakestill- og integrer-styrepulsgeneratoren 23 sendt over linjen 386 fra styrepuls-generatoren på figur 2, og utgangen av samplings- og puls-generatoren 24 blir sendt på en linje 388. Da de parrede aksellerometer-mekaniseringer gjør bruk av to aksellerometre, er to aksellerometer-enheter 390 og 392 vist på figur 19, som svarer til aksellerometrene 300 og 302 på figur 10 og aksellerometrene 310 og 312 på figur 11 og aksellerometrene 320 og 322 på figur 12. Aksellerometer-utgangssignalene azog azblir sendt fra aksellerometer-enhetene 390 og 392 på et par linjer 394 og 396 .

Signal-adskillelsen blir utført i kretsen på figur 19, generelt på samme måten som kretsen på figur 2 unntatt at kraft-kanalen som genererer signalet Fzpå en linje 398 og vinkelhastighetskanalen som genererer signalet p. på en linje 400

er representert på figur 19 som to adskilte kretser. Som vist på figur 19 omfatter en kraft-kanalkrets 402 integreringskretsen 44 og sample-and-hold-kretsen 45 i den elektroniske signal-adskillelses-prosessor 4 på figur 2, mens signalene på linjene 386 og 388 blir tilført integreringskretsen 44 og sample-and-hold-kretsen 45 som vist på figur 2. På lignende måte omfatter vinkelhastighetskretsen 404 en integreringskrets 42 og en sample-and-hold-krets 43 på figur 2, så vel som fortegns-endring-

eller multiplikatorkretsen 41. Signalene på linjene 386 og 388 blir tilført integrerings-kretsen 42 og sample-and-hold-kretsen 43, så vel som puls-signalet på linjen 384 på samme måte som vist på figur 2.

En av nøkkel-fordelene med de parrede aksellerometer-mekanismene er deres evne til å bruke sum- og differanse-teknikker til å adskille de signalene som primært gjelder translasjons-bevegelse fra de signalene som primært gjelder vinkel-bevegelser. For å kunne kansellere lineære spesifik kraft-signaler som kommer ut av parrede aksellerometre, er det nødvendig at de kraft-følsomme akser er så nært parallelle som mulig, og også

at de effektive massesentra er så nær hverandre som mulig.

Hvor vidt aksellerometrenes kraft-følsomme akser er i den samme eller i motsatte retninger er et spørsmål om bekvemmelighet i konstruksjon av monteringsanordninger for aksellerometrene.

I begge tilfeller er adskillelse gjort mulig ved å konstruere mekanismene som genererer vibrasjons-bevegelsen slik at de drevne hastighetsfaktorer ved alle tider er like og motsatte når de måles med referanse til huset.

En prosessorkrets for å utforme sum- og differanse-funksjonene er illustrert i prikket linje 406 på figur 19. For-adskillelse eller for-behandlingskrets 406 omfatter to summeringspunkter 408 og 410. Den spesielle forbehandlingskrets 406 vist på

figur 9 blir brukt for mekaniseringer hvor den kraftfølsomme akse er i den samme retning, så som i PAPVA-mekaniseringen vist på figur 10 og som sådan realiserer logikken i ligning (17). Her virker summeringspunktet 408 slik at det frembringer et signal til kraft-kanalen 402 som representerer summen av

aksellerometer-signalene på linjene 394 og 396. På samme måte frembringer summeringspunktet 410 et signal til vinkelhastighets-kanalen 404 som representerer forskjellen mellom aksellerometer-signalene på linjene 394 og 396. Det antas at de ikke-roterende spesifik kraft-signaler vil bli i det vesentlige like på linjene 394 og 396, slik at summen av signalene på linje 412 vil gi to ganger følsomheten for spesifik kraft som blir målt av aksellerometeret langs de kraft-følsomme akser. Likeledes vil forskjells-signaler på linje 414 bli i det vesentlige fri for komponenter som representerer spesifik kraft. På den annen side vil en ren rotasjonsbevegelse generere to sinus-formede coriolis-aksellerasjoner langs aksellerometrenes kraft-følsomme akser,

med en faseforskjell på 180°. Denne faseforskjell oppstår fordi coriolis-aksellerasjonene er vektor-produkter av vinkelhastighet og relativ hastighet, og i dette tilfellet er vinkel-hastigheten felles, mens de relative hastigheter er 180° ut av fase. Følgelig blir utgangen av summeringspunktet 408 på linjen 412 i det vesentlige fri for komponenter som representerer vinkelrotasjon. Av samme grunn vil utgangen av summeringspunktet 410 på linjen 414 generere et signal til vinkelhastighetskanalen 404 med to ganger følsomheten for vinkelhastighet.

I slike mekanismer som PANVA på figur 11 og PLNVA på figur 12, hvor de kraft-følsomme aksene har motsatt sens, gjelder de samme prinsippene, unntatt at fortegnene for signalene er omvendt. I forbehandlingskretsen 406 for PANVA og PLNVA-mekanismene ville summeringspunktet 408 subtrahere aksellerasjons-signalene på linjene 394 og 396, og summeringspunktet 410 ville addere signalene på linjene 394 og 396 i henhold til forholdene som er uttrykt i ligning (30). Følgelig vil sum-signalene fra summeringspunktet 410 inneholde bare vinkelhastighetsinforma-sjon, mens differansesignalene fra summeringspunktet 408 inneholde bare spesifik kraft-informasjon. Man kan derfor se at forbehandlingskretsen 406 har den effekt at den skiller spesifik kraft-signaler fra vinkelhastighets-signaler før signalene blir tilført kraft-kanalen 402 og vinkelhastighetskanalen 404.

En videre fordel med kretsanordningen vist på figur 19

er at skjønn- og differanse-teknikkene anordnet av forbehandlingskretsen 406 kan bli brukt til å lette skalering av signalene som føres til kraft-kanalen 402 og vinkelhastighetskanalen 404. Skalering er illustrert ved hjelp av et par skalerings-

forsterkere 416 og 418. Skalerings-forsterkerne 416 og 418

kan bli brukt til å skalere nivået av signaler som blir tilført kraftkanalen 402 og vinkelhastighets-kanalen 404 uten hensyn til mengden av utgangssignaler fra aksellerometrene. Dette er spesielt viktig når man tar i betraktning at amplitudene av signalene som representerer spesifik kraft Fzkan være opptil 100 ganger større enn signal-amplitudene som gjelder vinkel-hastigheten J\ . Verdien av forsterkernes forsterkningskonstanter Kp og K^kan således justeres til de forventede signal-amplituder på linjene 412 og 414 for å tillate maksimum oppløsning av signalene uten å overskride områdene for kretsene 402 og 404.

På lignende måte kan forsterkningene Kp og Kj^for Inerti-navigasjonssystemer bli svitsjet for å øke følsomheten, og derfor forbedre oppløsningen under navigasjons-systemenes justerings-prosess. Under en misjon kan det være nødvendig midlertidig å redusere følsomheten av enten den kraft-følsomme eller den hastighets-følsomme kanal for å unngå at man overskrider områdene for kretsene 402 og 404 under transient-manøvrering av fartøyet som inneholder navigasjons-systemet.

Merknad: F2og p er valgt som illustrasjon av en av kompo-nentparrene av F ogJL . De samme hensyn gjelder Fxog q og Fy og r.

Da en av de viktigste anvendelser av hastighetssignalet SL generert av aksellerometer-systemene diskutert ovenfor er i Inerti-navigasjonssystemer, er effekten av støy- og feilsignaler

i navigasjonssystemet en betydningsfull sak. Som det viser seg er aksellerometer-støyen tilstede i utgangen av vinkelhastighets-kanalen 404 en viktig faktor i nøyaktigheten av et Inerti-navigasjonssystem som bruker aksellerometre til å bestemme vinkelhastigheten. Effekten av aksellerometer-støy for et gitt aksellerometernivå av støy er omvendt proporsjonal med vibrasjons-amplituden. Man har f.eks. funnet, ved bruk av et QA-2000 aksellerometer, kommersielt tilgjengelig fra Sundstrand Data Control, Inc., at posisjonsfeilen er omkring

to nautiske mil for en vibrasjonsamplitude på omtrent 1,25

mm.

Claims (16)

1. Apparat for å generere et signal som representerer vinkelhastighets-bevegelsen av en struktur bestående av: et første aksellerometer omfattende en anordning for å generere et første utgangssignal som representerer aksellerasjon langs en første kraft-følende akse; et annet aksellerometer omfattende en anordning for å generere et utgangssignal som representerer aksellerasjon langs en annen kraft-følende akse; en innretnings-anordning for å innrette det første aksellerometer i forhold til det andre aksellerometer, slik at den første kraft-følende akse er i det vesentlige parallell med den nevnte andre kraft-følende akse; karakterisert ved en vibrasjons-anordning som er operativt forbundet med strukturen, og innretningsanord-ninger for å vibrere det første og det andre aksellerometer i forhold til strukturen ved en frekvens W og i en retning som er i det vesentlige perpendikulær med den første og den andre kraft-følende akse; og en signal-behandlingsanordning som er følsom for det første og det andre utgangssignal for å generere et hastighetssignal som representerer vinkelhastighets-bevegelsen av strukturen rundt en akse som er perpendikulær med planet for den nevnte kraft-følende akse og den nevnte vibrasjons-retning.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at vibrasjonen er en vinkel.

3. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at vibrasjonen er i det vesentlige lineær.

4. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at vibrasjonsanordningen er effektiv for å vibrere det første og det andre aksellerometer slik at translasjons-komponentene av vibrasjonen er i det vesentlige like og motsatte.

5. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at det første og det annet aksellerometer er innrettet ved den nevnte innretningsanordning, slik at den første og den andre kraft-følende akse er parallelle med aksen for vinkel-vibras jon .

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at den første og den andre kraft-følende akse er i det vesentlige i lik avstand fra vinkel-vibrasjonsaksene.

7. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at det første og det annet aksellerometer er innrettet ved den nevnte innretningsanordning, slik at den første og den annen kraft-følende akse er motsatte og i det vesentlige koaksielle med hverandre.

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at aksen av vinkelvibrasjon er perpendikulær med den første og den andre kraft-følende akse, og plassert mellom det første og det annet aksellerometer.

9. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at vibrasjons-vinkelen er omtrent 50 milliradianer topp til topp .

10. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at det første og det annet aksellerometer er innrettet ved den nevnte innretningsanordningen, slik at den første og den annen kraft-følende akse er motsatte og er i det vesentlige koaksielle med hverandre.

11. Apparat ifølge krav 10, karakterisert ved at vibrasjons-amplituden er omtrent 2 millimeter topp til topp.

12. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter en for-behandlings-anordning, operativt forbundet mellom det første og det annet aksellerometer og den nevnte signal-behandlings-anordning for å tilføre summen av det første og det annet utgangssignal til den nevnte signal-behandlings-anordning.

13. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved at for-behandlings-anordningen i tillegg tilfører forskjellen mellom det første og det annet utgangssignal til signal-behand-1ings-anordningen.

14. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at signal-behandlings-anordningen omfatter en kraftkanal-anordning som er følsom for det første og det annet utgangssignal for å generere et kraft-signal som representerer aksellerasjonen av apparatet langs den kraft-følsomme aksen og en hastighetskanal-anordning som er følsom for det første og det annet utgangssignal for å generere et hastighetssignal.

15. Apparat ifølge krav 14, karakterisert ved at det omfatter en for-adskillelses-anordning, operativt forbundet mellom det første og det annet aksellerometer og den nevnte signalbehandlings-anordning for å kombinere det første og det annet utgangssignal inn i et første kombinasjons-signal for å sendes inn i kraftkanal-anordningen og for å kombinere det første og det annet utgangssignal til et annet kombinasjons-signal for å sendes inn i hastighetskanal-anordningen.

16. Apparat ifølge krav 15, karakterisert ved at den første og den annen kraft-følende akse er innrettet i den samme retning, og hvor det første kombinasjons-signal er en funksjon av summen av det første og det annet utgangs-signal og at det annet kombinasjons-signal er en funksjon av differansen mellom det første og det annet utgangs-signal.