WO1990012287A1

WO1990012287A1 - Ringlaserkreisel

Info

Publication number: WO1990012287A1
Application number: PCT/EP1990/000308
Authority: WO
Inventors: Karin Hilpert-Wunderle; Klaus Hilpert
Original assignee: Teldix Gmbh
Priority date: 1989-04-03
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1990-10-18

Abstract

Es wird ein Ringlaserkreisel vorgeschlagen, bei dem zur Auflösungssteigerung des Ausgangssignals zusätzlich zum Auszählen der Nulldurchgänge eines Meßsignals die zum Zeitpunkt der Messung vorhandene Amplitude wenigstens eines der beiden Meßsignale zur Bestimmung des Drehwinkels mit herangezogen wird.

Description

Ringlaserkreisel

Die Erfindung betrifft einen Ringlaserkreisel entsprechend den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Bei Ringlaserkreiseln nach dem Stand der Technik werden die auf einem Auskoppelprisma aus den beiden gegensinnig umlaufenden Lichstrahlen erzeugten Interferenzstreifenmuster von z.B. zwei direkt auf dem Auskoppelprisma angeordneten Fotodioden erfaßt. Der Abstand der Fotodioden auf dem Auskoppelprisma zueinander beträgt ¼ des Interferenzstreifenabstandes. Das ergibt zwei um 90° zueinander phasenverschobene sinusförmige Signale. Die Bewegungsrichtung der auf dem Auskoppelprisma durchlaufenden Interferenzstreifenmuster entspricht dabei der Drehrichtung, die Bewegungsgeschwindigkeit entspricht der Drehrate des Kreisels.

Da bei Laserkreiseln nach dem Stand der Technik nur die Nulldurchgänge beider Fotodioden-Signale ausgewertet werden, wird eine relativ grobe Auflösung der Drehrate erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Auflösung und damit die Meßgenauigkeit eines Ringlaserkreisels mit einfachen Mitteln wesentlich zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei beiden erfindungsgemäßen Ausführungen zur Steigerung der Auflösung werden zur Bestimmung des Drehwinkels, zusätzlich zum Auszählen der Nulldurchgänge wenigstens eines der beiden Fotodioden-Signale (Meßsignale) innerhalb einer vorgegebenen Zeit T, die zum Zeitpunkt der Beendigung der Zeit T vorhandenen Amplituden wenigstens eines der beiden Meßsignale zur Bestimmung des Drehwinkels mit herangezogen. Dazu werden die zum Zeitpunkt der Beendigung der Zeit T vorhandenen Amplituden wenigstens einer der beiden Meßsignale gemessen und daraus der zusätzlich zu den Nulldurchgängen der bei Beendigung der Zeit T vorhandene Drehwinkel bestimmt. Der Drehwinkel entsprechend den ausgezählten Nulldurchgängen und der zusätzlich seit dem letzten Nulldurchgang entstandene Drehwinkel werden zum Gesamtdrehwinkel addiert. Die Drehrate des Kreisels ergibt sich dann aus dem Gesamtdrehwinkel und der Meßzeit.

Bei beiden erfindungsgemäßen Ausführungen wird, bei Ausnutzung beider Meßsignale, wenigstens eines der beiden Meßsignale so in der Phase korrigiert, daß die beiden Meßsignale 90°-Phasenverschiebung gegeneinander aufweisen.

Dies kann nach der aus der deutschen Patentanmeldung P 39 29 239.8 bekannten oder nach einer anderen Methode durchgeführt werden.

Bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführung wird das zur Bestimmung des Drehwinkels herangezogene Meßsignal normiert, d.h. daß die Amplitude des Meßsignals sensiert und bei Abweichungen von einem vorher bestimmten Wert, z.B. 1, auf den Wert 1 nachgeregelt wird. Beide Meßsignale werden zur Bestimmung der Drehrichtung des Kreisels und zur Festlegung des Quadranten verwendet, in dem die Meßzeit T zu Ende geht. Abhängig vom Quadranten und der Drehrichtung des Kreisels werden dazu unterschiedliche Gleichungen verwendet. So wird bei einer positiven Drehrichtung des Kreisels der zusätzliche Drehwinkel α durch Anwendung der folgenden Gleichungen bestimmt:

und bei einer negativen Drehrichtung des Kreisels:

Ein in einer Auswerteschaltung vorhandener Rechner bestimmt den zusätzlichen Drehwinkel α in dem er, z.B. für eine negative Drehrichtung und bei endender Meßzeit T, feststellt, daß das Meßsignal A größer 0 und das Meßsignal B größer 0 ist. In diesem Fall, bestimmt der Rechner den zusätzlichen Drehwinkel a, indem er den gemessenen Wert der Amplitude A in die Formel für den zweiten Quadranten einsetzt.

Die zweite erfindungsgemäße Ausführung stellt eine Weiterbildung dar. Bei dieser Weiterbildung wird der zusätzliche Drehwinkel α aus dem Quotienten der beiden Meßsignale A und B bestimmt. Dadurch entfällt die bei der ersten Ausführung notwendige Normierung des zur Bestimmung des Drehwinkels α herangezogenen Meßsignals.

Der in der Auswerteschaltung vorhandene Rechner bestimmt bei dieser Weiterbildung den zusätzlichen Drehwinkel α bei positiver Drehrichtung des Kreisels durch Anwendung der folgenden Gleichungen:

und bei einer negativen Drehrichtung des Kreisels:

Der Rechner bestimmt den zusätzlichen Derhwinkel α, in dem er bei endender

Meßzeit T die Amplituden der Meßsignale A und B und die aktuelle Drehrichtung bestimmt. Ist z.B. die Drehrichtung negativ, das Signal A kleiner 0 und B größer 0 und der Betrag des Meßsignals A größer als der Betrag des Meßsignals B, so ist die Gleichung für den Bereich VI für negative Drehrichtung anzuwenden.

Beide Ausführungen der Erfindung werden anhand der Zeichnung in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Ringlaserkreisels,

Fig. 2 die Meßsignale der beiden Fotodioden bei positiver Drehrichtung des

Kreisels,

Fig. 3 die Meßsignale der beiden Fotodioden bei negativer Drehrichtung des

Kreisels,

Fig. 4 ein Beispiel einer Auswerteschaltung in einer prinzipiellen Darstellung, Fig. 5 die Meßsignale der beiden Fotodioden bei positiver Drehrichtung einer

Weiterbildung der Erfindung,

Fig. 6 die Meßsignale der beiden Fotodioden bei negativer Drehrichtung einer

Weiterbildung der Erfindung,

Fig. 7 ein Beispiel einer Auswerteschaltung einer Weiterbildung der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Ringlaserkreisels mit den für diese Erfindung wesentlichen Teilen wie den Glaskeramik-Grundkörper 1, den

Anoden 2, 14, den gasgefüllten Bohrungen 3, 7, 12 für die gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen, die Lichtstrahlen 4, 13, die Spiegel 5,15, den teildurchlässigen Spiegel 9, das Piezoelement 6 zur Regelung der Lichtstrahlpfadlänge, die Kathode 8, das Auskoppelprisma 10, sowie zwei auf dem Auskoppelprisma angeordnete Fotodioden 11.

Die Funktionsweise eines Ringlaserkreisels wird als bekannt vorausgesetzt und deswegen hier nicht näher erläutert. Fig. 2 zeigt die Meßsignale A und B der beiden Fotodioden 11 bei positiver Drehrichtung des Kreisels.

In diesem Diagramm ist auf der Abszisse des Koordinatensystems der Drehwinkel α und auf der Ordinate die Amplitude der Meßsignale A und B der beiden Fotodioden 11 darstellt. Die Extremwerte der Amplituden haben die Werte 1. Das Signal A eilt dem Signal B um 90° nach. Das Koordinatensystem ist in die Quadranten I bis IV unterteilt.

Fig. 3 zeigt die Meßsignale A und B der beiden Fotodioden 11 bei negativer Drehrichtung des Kreisels. Das Meßsignal B eilt hier dem Meßsignal A um 90° nach, sonst entspricht die Fig. 3 der Fig. 2.

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung werden die Nulldurchgänge eines Meßsignals gezählt und zusätzlich die Amplitude eines Meßsignals Ä oder B zur Bestimmung des zusätzlichen Drehwinkels α herangezogen. Werden beispielweise die Nulldurchgänge des Meßsignals A ausgezählt, so bezieht sich die ganze nachfolgende Berechnung des zusätzlichen Drehwinkels α auf das Meßsignal A (siehe Tab. 1 und 2).

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Äuswerteschaltung in einer prinzipiellen Darstellung.

Das Meßsignal A der einen auf dem Auskoppelprisma 10 des Kreisels angeordneten Fotodioden 11 wird über eine Normierungsschaltung 16, die die Amplitude des Meßsignals A in den Extremwerten auf einen viorher festgelegten Wert einstellt, auf eine Sample and Hold-Schaltung 18 geführt.

Das Meßsignal der anderen Fotodioden gelangt über einen Schmitt-Trigger 17 auf einen Speicher 19.

Zum Zeitpunkt der Beendigung der Meßzeit T wird, vom Triggersignal gesteuert, das Meßsignal A in der Sample and Hold-Schaltung 18 gemessen und das Meßsignal B im Speicher 19 als Signal B gespeichert. Der A/D-Wandler 20 wandelt das von der Sample and Hold-Schaltung 18 gemessene Meßsignal A in ein entsprechendes digitales Signal A um. Beide Signale A'und B' werden dem Rechner 25 zugeführt.

Der Rechner 25 erhält weiter das Triggersignal und die Anzahl der in einer separaten Schaltung gezählten Nulldurchgänge des Meßsignals A und die ebenfalls in einer separaten Schaltung ermittelte Drehrichtung des Kreisels.

Aus der Anzahl der gezählten Nulldurchgänge und den ihm vom Schmitt-Trigger 17 und vom A/D-Wandler 20 zugeführten digitalen Signalen A' und B' ermittelt der Rechner 25, entsprechend den Tabellen 1 und 2 und dem Drehrichtungssignal, den Drehwinkel α des Kreisels und stellt ihn an seinem Ausgang, für eine übergeordnete Auswertung der Drehrate, zur Verfügung.

Die Figuren 5 und 6 zeigen die Meßsignale der beiden auf dem Auskoppelprisma 10 angeordneten Fotodioden 11 bei positiver (Fig. 5) und negativer Drehrichtung (Fig. 6) einer Weiterbildung.

Der Signalverlauf der Meßsignale A und B sowie das Koordinatensystem entsprechen den Figuren 2 und 3. Der einzige Unterschied zu den Fig. 2 und 3 besteht darin, daß die Quadranten jeweils in zwei weitere gleich große 45°Abschnitte unterteilt sind.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Äuswerteschaltung der Weiterbildung.

Die beiden Meßsignale A, B und ein Triggersignal werden der Auswerteschaltung zugeführt. Das Meßsignal B wird nach der aus der deutschen Patentanmeldung P 39 29 239.8 bekannten oder nach einer anderen gleichwertigen Methode in einer Phasenkorrekturschaltung 21 in der Phase so korrigiert, daß beide Meßsignale A und B 90° gegeneinander in der Phase verschoben sind. Zwei Sample and Hold-Schaltungen 22 messen zum Zeitpunkt der Beendigung der Meßzeit T, durch einen Triggerimpuls ausgelöst, den momentanen Wert der beiden Meßsignale A und B. über einen Multiplexer 23 werden die beiden

Momentanwerte der Sample and Hold-Schaltungen 22 nacheinander, einem, z.B.

8 Bit, A/D-Wandler 24 zugeführt. Der A/D-Wandler 24 wandelt die beiden Momentanwerte der Meßsignale A und B in entsprechende digitale Signale A'und B'um und führt sie dem Rechner 25 zu.

Die Meßsignale A und B, am Eingang der Auswerteschaltung, werden weiter jeweils einem Schmitt-Trigger 30 zugeführt, wobei das Meßsignal B nach der Phasenkorrekturschaltung 21 abgenommen wird. Die Schmitt-Trigger 30 dienen zur Rechteckformung der beiden Meßsignale A, B. Eine Richtungserkennung 28 bestimmt die Drehrichtung des Kreisels aus den Verlauf der beiden Meßsignale zueinander.

Von der Richtungserkennung 28 wird das Meßsignal A einem Zähler 27 und einem Speicher 29 zugeführt. Der Zähler 27 zählt die Nulldurchgänge. Zum Zeitpunkt des Triggerimpulses wird dem Rechner 25, außer den beiden Momentanwerten der Meßsignale A' und B' vom A/D-Wandler 24, noch das im Speicher 29 abgelegte Richtungssignal und die im Speicher 26 abgelegte Summe der Nulldurchgänge angeboten. Der Rechner 25 kann nun aus der Summe der Nulldurchgänge und dem nach den Tabellen 3 oder 4 bestimmten zusätzlichen Drehwinkel α den Gesamtdrehwinkel bestimmen.

Bezugszeichenliste

1 Glaskeramik-Grundkörper

2 Anode

3 Bohrung

4 Lichtstrahl

5 Spiegel

6 Piezoelement

7 Bohrung

8 Kathode

9 teildurchlässiger Spiegel

10 Auskoppelprisma

11 Fotodioden

12 Bohrung

13 Lichtstrahl

14 Anode

15 Spiegel

16 Normierung auf konstante Amplitude 17 Schmitt-Trigger

18 Sample and Hold-Schaltung19 Speicher

20 A/D-Wandler

21 Phasenkorrekturschaltung22 Sample and Hold-Schaltung 23 Multiplexer

24 A/D-Wandler

25 Rechner

26 Speicher

27 Zähler

28 Richtungserkennung 29 Speicher

30 Schmitt-Trigger

Claims

Patentansprüche

1. Ringlaserkreisel, bei dem aus den beiden gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen Interferenzstreifenmuster erzeugt werden, deren Bewegungsrichtung ein Maß für die Drehrichtung und deren Bewegungsgeschwindigkeit ein Maß für die Drehrate des Kreisels ist, bei dem die Interferenzstreifenmuster mittels zweier Fotodioden abgetastet und die Meßsignale der Fotodioden einer Auswerteschaltung zur Bestimmung des Drehwinkels in einer bestimmten Meßzeit T, durch Auszählen der Nulldurchgänge wenigstens eines der Meßsignale innerhalb der vorgegebenen Zeit T, zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Auszählen der Nulldurchgänge die zum

Zeitpunkt der Beendigung der Zeit T vorhandenen Amplituden wenigstens eines der beiden Meßsignale zur Bestimmung des Drehwinkels α mit herangezogen wird, wobei sich die Drehrate aus dem ermittelten Drehwinkel α und der Meßzeit T ergibt.

2. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausnutzung beider Meßsignale (A, B) wenigstens eines der beiden Meßsignale (A) in der Phase korrigiert wird derart, daß die beiden Meßsignale (A, B) eine 90°-Phasenverschiebung gegeneinander aufweisen.

3. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das

zur Bestimmung des Drehwinkels α herangezogene Meßsignal (A) auf konstante Amplitude geregelt wird und der Momentenwert des Meßsignals A gemessen wird.

4. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

Drehrichtung aus den beiden Meßsignalen (A, B) und der zusätzliche Drehwinkel aus dem Quotienten der beiden Meßsignale (A, B) ermittelt wird.

5. Ringlaserkreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient durch Dividieren des betragsmäßig kleineren durch das betragsmäßig größere Meßsignal (A, B) gebildet wird.

6. Ringlaserkreisel nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Meßsignale (A, B) zur Bestimmung der Drehrichtung des Kreisels und zur Festlegung des Quadranten, in dem die Meßzeit T zu Ende geht, verwendet werden.

7. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche positive Drehwinkel α durch Anwendung einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird:

wobei A und B die Meßsignale (A, B) darstellen.

8. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche negative Drehwinkel α durch Anwendung einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird:

wobei A und B die Meßsignale (A, B) darstellen.

9. Ringlaserkreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche positive Drehwinkel α durch Anwendung einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird:

wobei A und B die Meßsignale (A, B) darstellen.

10. Ringlaserkreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche negative Drehwinkel α durch Anwendung einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird:

wobei A und B die Meßsignale (A, B) darstellen.