NO844461L - Fremgangsmaate og anordning for mekanisk rystelsesstabilisering ved en vinkellasersensor - Google Patents

Abstract

Tre sett med vinkeilasersensorer (14-16), som kor-responderer med tre vinkelmessig anbrakte av-følingsplan er montert på en felles instrumentblokk og hver er forsynt med mekaniske rystelsesanordninger for å indusere en svingende mekanisk bevegelse for å forhindre eller forsinke innlåsingen. En kompenserende masse (21) er montert på samme instrumentblokk og innbefatter en selektivt styrbar mekanisk rystelsesanordning. Rystelsen av kompen-seringsmassen ved en egnet valgt amplitude og frekvens kompenserer automatisk for rystelsessamvirk-ningen (koningen) mellom de tre sensorene (14-16).

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt en vinkellasersensor og nærmere bestemt en anordning og fremgangsmåte for å stabilisere ødeleggende virkninger av mekanisk rystelse ved en slik sensor for å forhindre innlåsing av laserstrålen.

En vinkellasersensor består primært av en første og andre laserstråle som beveger seg i motsatte retninger om en lukket sløyfebane som omhyller rotasjonsaksen, ved hvilken sensoren skal detektere og bestemme vinkelendringen. Rotasjonen for anordningen om aksen endrer den effektive bane-lengden som hver stråle må utbrede seg som igjen kan bli detektert som en frekvensforskjell mellom to laserstråler. Retningen og størrelsen på den detekterte frekvensendringen er indikativ både for retningen og den fysikalske rotasjonen som ble avfølt og rotasjonens hastighet.

Ved lave rotasjonshastigheter misser forskjellen ved den detekterte strålefrekvensen dens proporsjonalitet med rotasjonshastigheten på grunn av et fenomen ofte henvist til som "innlåsing" ved hvilket to laserstråler viser en frekvens.

En måte å løse dette problemet med innlåsingen er vanlig-vis å bevirke mekanisk oscillasjon (rystelse) til en lasersensoranordning, som når tillagt den faktiske hastighetsendringen i rotasjonen utøvd av laserstrålen, øker den detekterte frekvensendringen over den kritiske innlåsings-grensen.

Ved praktisk anvendelse for navigasjonsformål til et luft-fartøy f.eks., er tre sett med laservinkelsensorer anordnet ortogonalt i forhold til hverandre og montert på en felles plattform eller en instrumentblokk. Ved avføling av rotasjonsendringen og hastighetsendringen ved hver av de tre ortogonalt anordnede planene, kan bevegelsen til kjøretøyet eller endringen i kjøretøyets orientering fra en startkurs og posisjon bli kontinuerlig bestemt. For å unngå innlåsingen har vært sett med laservinkelsensorer deres egne rystelsesanordninger. Tre sensorsett er spe-sielt virksomme når montert på en felles instrumentblokk, når dette blir gjort oppstår imidlertid kopling av rystel-sesbevegelser mellom lasersensorene. Denne koplingen av rystelsesbevegelsen er ofte henvist til som "koning" og kan frembringe alvorlige utlesingsfeil. Forsøk har blitt gjort for å løse koningsproblemet ved hjelp av f. eks. kretsbehandlingsteknikk ved hvilke opptakssignaler fra forskjellige vinkellasersensorer blir modifisert ved et forsøk på å eliminere koningsfeilfordelingene, disse for-søkene har imidlertid ikke vært fullstendig tilfredsstillende .

Utførelse av foreliggende oppfinnelse blir flere sett med vinkellasersensorer korresponderende ortogonale avfølings-plan (f.eks. X, Y, Z) montert på en felles plattform eller en instrumentblokk og hver forsynt med separate mekaniske rystelsesfrembringende anordninger som induserer en mekanisk svingende bevegelse i hver av vinkellasersensorne for å forhindre eller forsinke innlåsingen. Denne rystelsesbevegelsen kan være enten uregelmessig eller periodisk både med hensyn til amplituden og oscillasjonsfrekvensen.

En kompenserende masse (f.eks. en fjerde redundant vinkellasersensor) er montert på samme instrumentblokk eller plattform og innbefatter en selektivt kontrollerbar mekanisk rystelsesfrembringelsesanordning. Når kompensasjonsmassen er montert med dens rotasjonsrystelsesplan anordnet ved bestemte vinkler (f.eks. like vinkler) i forhold til de tre vinkellasersensornes plan, vil rystelsen til kom-pensas jonsmassen ved en egnet valgt amplitude og frekvens automatisk kompensere for koningen mellom de tre sensorne. Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et sideriss av en instrumentblokk med tre vinkellasersensorer stabilisert i samsvar med den beskrevne fremgangsmåten og anordningen. Fig. 2 viser et topplanriss av instrumentblokken på

fig. 1.

Fig. 3 viser en skjematisk fremstilling av de relevante bevegelsene og momentene som virker på anordningen på fig. 1. Fig. 4 viser et funksjonsblokkdiagram av den kompenserende masserystelsesstyringen.

Med henvisning til tegningene viser nærmere bestemt fig. 1 og 2 en instrumentblokk 10 i et stykke med tre plane overflater 11-13, som er flate overflater nøyaktig anordnet for å være felles ortogonale med hverandre og tjene som monteringsflater for tre individuelle vinkellasersensorer 14-16 hhv., som er vist kun i skjematisk form. Instrumentblokken 10 har tre føtter eller sokler 17-19 for å fast-gjøre instrumentblokken og de derpå anbrakte vinkellasersensorne til luftfartøyet eller andre fartøyer hvis bevegelse skal bli overvåket. De tre vinkelsensorne er alle montert på en felles basis eller instrumentblokk 10 med hver avfølende rotasjonsbevegelse om en akse som er orto-gonal i forhold til overflatens plan, som den er montert på. Det er kjent at en slik kombinasjon av tre vinkelsensorer, et fartøy som bærer instrumentblokken og sensorer montert derpå vil kunne drives i tre dimensjoner, idet enhver bevegelse til fartøyet i noen av de tre dimensjo-nene blir detektert av en eller flere av sensorne.

På konvensjonell måte innbefatter hver av lasersensorne 14-16 et par„laserstråler som beveger seg i respektive motsatte retninger langs en lukket bane om avfølingsaksen og innretning for å bestemme endringen i frekvensen til laserstrålen. Som et innledende krav for anvendelsen av den beskrevne metoden og anordningen innbefatter hver lasersensor en anordning for frembringelse av en svingende mekanisk bevegelse (rystelse) for den laserstrålegenere-rende innretningen og tilknyttede avfølingsanordning montert på instrumentblokken i en retning langs bevegel-sesbanen for laserstrålene.

Vinkelsensorne med mekanisk rystelsesinnretning beskrevet nå er av en konvensjonell konstruksjon og drift og vil derfor ikke bli beskrevet nærmere.

En ytterligere flat overflate 20 er tilveiebrakt på instrumentblokken som for enkelhetens skyld er vist med heltrukken linje og anordnet ved nøyaktig like vinkler i forhold til de tre sensormonteringsflåtene 11-13. Koningskompensasjonsinnretningen 21 montert på overflaten 20 innbefatter en masse og selektiv justerbar innretning for rystelse av massen i et plan parallelt i forhold til pla-ten 20. Som det er beskrevet i det følgende i beskrivelsen vil vinkelmomentet til kompensasjonsinnretningen når pro-jeksert på hver av sensoraksene balansere rystelsesvinkel-momentet.

For den påfølgende analysen skal det henvises til frem-stillingen på fig. 3. De tre rystede vinkellasersensorne er vist som sylindriske masser med respektive rystelses-moment M-^, M2og M3av nesten lik fase og amplitude, idet korresponderende rystelsesrotas jons vinkel er a, a 2 og03. Kompenserende massemoment er likeledes Mc og korresponderende vinkelrotasjonsskjelving er ac.

Antas det nå at kun små rotasjonsvinkler er involvert, er den dynamiske ligningen for bevegelsen i kartesisk tenso-risk notasjon for instrumentblokkrotasjonen, vinkelsensorne og kompensasjonsmassen ved en rystelsesmodus er som følgende:

hvor,

= rotasjonsvinkler for instrumentblokkene om

xi-

= rotasjonsvinkler for tre ortogonale vinkelsensorer.

ac = rotasjonsvinkler til kompensasjonsmassen. I^j= treghetsmomentet til hele enheten. I = vinkelsensormomentet til tregheten om

rystelsesaksene.

I = er treghetsmomentet for kompensasjonsmassen .

n^= er kompensasjonsmasseakse-cosinusen for

vinklene i forhold til

K^j= vinkelstivhetskoeffisientene for bæresyste-met om instrumentblokksenteret til tyngde-kraften.

K = stivheten til en enkel rystelse. Kc= stivheten for den kompenserende rystelsen. Med ytterligere antagelse at det elastiske senteret til bærerne sammenfaller med tyngdekraftsenteret, og den måten rotasjonsadskillelsesfastgjørelsen fra overføringen ved å sette ligningen (1) lik null, gir:

Multiplikasjon av ligningen (3) med n^og addering til (2) gir:

I tilfelle av at ^c _ K, blir ligningene (4) og (5) et sett med seks homogene ligninger for seks ukjente ø ^ og (Ia\<+>Icac n^). Den stabile tilstandsløsningen til disse ligningene er: eller

Dette resultatet viser elimineringen av koningen og feil som resulterer derav.

I det spesielle tilfellet hvor n^= n. 2 = = \ J 3/3 sa gjelder a^a 2 = a3 = ^—j

Basert på foregående analyse er det klart at den selektive justeringsinnretningen 22 for rysting av kompensasjonsmassen kan bli justert til en forutbestemt amplitude og frekvens for rystelsen som ville kompensere for mekanisk kopling for rysting av lasersensorne 14-16 og på denne måten vesentlig redusere om ikke fullstendig eliminere koningsfeilene.

Selv om en begynnelsesforenklingsbetingelse er utledet av dynamiske ligninger, ble det antatt at monteringsplanen 20 for kompensasjonsmassen skjærer sensormonteringsplanene 11-13 ved samme vinkel, det betones at dette ikke er nød-vendig og at skjæringsvinkelen med de forskjellige planene kan avvike. Dette trekket er vist ved fig. 1 ved å vise kompensasjonsplanet i prikkstreket linje som er skråstilt i forhold til det opprinnelige planet 20, og derfor klart skjærer respektive plan 11-13 i vinkler som er hovedsakelig forskjellige.

Selv om det er antatt mulig å variere kompensasjonsmassen, kompensasjonsmasseamplituden og frekvensen, vil den enk-leste og mest direkte konstruksjonen være å gjøre kompen-sas jonsmassen identisk med den til en sensor og justere enten kompensasjonsmasse-rystelsesamplituden eller frekvensen mens de andre holdes ved en verdi som er hovedsakelig identisk med den ekvivalente sensorverdien. Fig. 4 viser i en funksjonsblokkform en generalisert skjematisk krets for separat justering av frekvensen og amplituden til de kompenserende masserystelsesinnretningene.

Ved den første beskrevne utførelsesformen innbefatter instrumentblokken 3 felles perpendikulære plane flater 11-13 på hvilke laservinkelsensorne er montert med monteringsoverflaten 20 for kompensasjonsmassen skjærende hver av flatene 11-13 ved samme vinkel. Ved den andre beskrevne versjon skjærer monteringsoverflaten 20 overflatene 11-13 ved forskjellige vinkler. Det er dessuten overveid å an- ordne overflatene 11-13 vinkelmessig på en annen måten enn den felles perpendikulære som er vist på fig. 1 ved hjelp av dens prikkstrekede linjeflate 11' og 12'. Den analyti-ske basisen for denne ytterligere utførelsesformen skal nå bli beskrevet.

I tilfelle hvor tre lasergyroer er i planene 11', 12' og 13 som ikke er felles perpendikulære skal bli betraktet i det påfølgende. Dette tilfellet er best beskrevet ved et affinkoordinatsystem med akser som er normale på rystel-sesplanene. Ved et affinkoordinatsystem vil indekser og merker identifisere kovarianter og kontravariante komponenter tilsvarende. Ved å anvende samme notasjon som tidligere beskrevne utførelsesformer kan følgende skrives:

hvor treghets- og stivhetsblandede tensorer er definert som følgende: y<1>er målt langs offineaksene y^er utledet fra forholdet

hvor g^jer kovariante metriske tensorkomponenter.

Bevegelsesligningen i det skrå tilfellet (dvs. 11-13 ikke felles perpendikulært) er når det anvendes affinkoordina-ter og skrevet ved kovariante komponenter algebraisk identisk med det ortogonale tilfellet (ligning (1), (2) og (3)). Den dynamiske koningskompensasjonen som er vist på-ført ved tilfellet av felles perpendikulære ringlaser-gyroer kan så bli interferert med det skrå tilfellet også.

Koningskompensasjonsinnretningen 21 innbefatter i dens mest generelle form en masse av vilkårlig art og innretning for å ryste massen som beskrevet tidligere. En spe-sielt fordelaktig utførelsesform for kompenseringsinnret-ningen 21 blir tilveiebrakt ved å montere en redundant fjerde lasersensor og rystelsesinnretning på den flate overflaten 20. En slik konstruksjon ville ikke bare virke tilfredsstillende for den ovenfor beskrevne oppfinnelsen, men den redundante lasersensoren kan også bli lett og fordelaktig anvendt som en aktiv lasersensor i tilfellet av feil ved en av de andre tre lasersensorne 14-16.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for nøytralisering av samvirkningen mellom mekanisk rystelse til to eller flere vinkellasersensorer montert på en felles instrumentblokk, karakteri sert ved at den innbefatter lokalisering av en kompenserende masse på instrumentblokken og oscillering av massen ved en foreskrevet frekvens og amplitude for å motvirke hovedsakelig fullstendig resul-tantsamvirkningen i instrumentblokken og vinkellasersensornes rystelse.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at oscilleringen foretas om en akse som har et fast vinkelforhold i forhold til instrumentblokken.

3 . Flere sett med vinkellasersensorer montert på samme instrumentblokk, idet hvert sett med vinkelsensorer innbefatter separate mekaniske rystelsesinnretninger, karakterisert ved en gjenstand av foreskrevet masse montert på instrumentblokken og innretning for mekanisk oscillering av gjenstanden ved en frekvens og amplitude for å nøytralisere rystelses-samvirkningen mellom vinkelsensornes separate rystelsesinnretninger .

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at tre sett med vinkellasersensorer hhv. er montert på ortogonalt anordnede plan for avføling av bevegelsen om aksen normalt på planet og at gjenstanden er montert på et plan som skjærer de ortogonale anordnede planene langs i det minste to forskjellige vinkler.

5. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at mekanisk rystelsesinnretning for hver av vinkellasersensorne bevirker svingning parallelt i forhold til respektive avfølende apparatmonteringsplan og svingning av objektet er parallelt i forhold til objektets monterings-plan.

6. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at rystelsesinnretningen for vinkelsensorene oscillerer ved hovedsakelig samme frekvens, amplitude og fase og at objektsvingningen blir tilveiebrakt ved hovedsakelig samme frekvens som den til vinkelavfølingsanordningens rystelse, mens objektrystelsesamplituden blir justert som nødvendig.

7. Vinkellaseravfølingsanordning, karakterisert ved at den innbefatter en enhetlig instrumentblokk, tre vinkellasersensorer montert på respektive flater til instrumentblokken, separate rystelsesinnretninger for-bundet med hver vinkellasersensor for mekanisk svingning av sensorene parallelt i forhold til de respektive mon-terings flater , en kompenseringsmasse bevegelig montert på en ytterligere overflate til instrumentblokken, og selektiv justerbar innretning for svingning av kompen-sas jonsmassen ved en gitt amplitude og frekvens.

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at amplitude, frekvens og fase til rystelsesinnretningen er hovedsakelig identisk.

9. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at tre-laservinkelsensor-monteringsoverflåtene er felles perpendikulære.

10. Anordning ifølge krav 9, karakterisert ved at kompenseringsmasse-monteringsoverflaten skjærer hver sensormonteringsoverflate ved samme vinkel.