JPH0445041B2 - - Google Patents
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- JPH0445041B2 JPH0445041B2 JP3238985A JP3238985A JPH0445041B2 JP H0445041 B2 JPH0445041 B2 JP H0445041B2 JP 3238985 A JP3238985 A JP 3238985A JP 3238985 A JP3238985 A JP 3238985A JP H0445041 B2 JPH0445041 B2 JP H0445041B2
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- Japan
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- moving body
- unit
- rotation angle
- coil
- measuring
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Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Manipulator (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、空間において回動する運動体上でそ
の空間回動角を算定する装置に関するものであ
る。
の空間回動角を算定する装置に関するものであ
る。
本発明は、ごく軽小な慣性体支持型測定器を用
い、この測定器よりの出力値を2回積分すること
により、空間回動角を算定するようにした。
い、この測定器よりの出力値を2回積分すること
により、空間回動角を算定するようにした。
空間において回動する運動体上で慣性力測定器
により運動体の空間回動角を測定するには、一般
に、ジヤイロ装置もしくは加速度計又はそれらの
組合せなどの大規模の計測システムを必要とす
る。これらは、船舶、飛行機及び飛翔体などの大
型走行体の運動解析にはよいが、走行ロボツトや
義手制御等のためマニピユレータ又は人体四肢に
取付けて使用するには不向きである。このような
用途に適する小型で且つ空間回動運動を忠実に計
測するトランスジユーサ・システムは、これまで
存在していなかつた。
により運動体の空間回動角を測定するには、一般
に、ジヤイロ装置もしくは加速度計又はそれらの
組合せなどの大規模の計測システムを必要とす
る。これらは、船舶、飛行機及び飛翔体などの大
型走行体の運動解析にはよいが、走行ロボツトや
義手制御等のためマニピユレータ又は人体四肢に
取付けて使用するには不向きである。このような
用途に適する小型で且つ空間回動運動を忠実に計
測するトランスジユーサ・システムは、これまで
存在していなかつた。
したがつて、本発明は、人体やマニピユレータ
に簡単に装着でき、その運動状態における空間回
動角を容易に計測しうる実用的な装置を得ること
を目的とする。
に簡単に装着でき、その運動状態における空間回
動角を容易に計測しうる実用的な装置を得ること
を目的とする。
本発明は、ごく軽小な慣性体支持型測定器とし
て、小型で可動部の駆動力が僅少な市販の直流電
流計部品を母体とし、これに必要な部品を付加し
た慣性力測定器を使用する。この測定器は、直流
電流計型測定ユニツトと積分回路とを有する。
て、小型で可動部の駆動力が僅少な市販の直流電
流計部品を母体とし、これに必要な部品を付加し
た慣性力測定器を使用する。この測定器は、直流
電流計型測定ユニツトと積分回路とを有する。
本発明は、上記測定ユニツトを単数設けるか複
数設けるかによつて2つの発明に分かれる。この
ような測定ユニツトを単数又は複数設けた測定器
を、測定ユニツトの可動コイルの軸が空間で回動
する運動体の回動面に直角の方向と一致するよう
に運動体に取付け、運動体の回動時に可動コイル
に生ずる出力電圧を(複数ユニツトの場合は合算
して)計測し、この計測値を積分して測定器の出
力とする。この測定器の出力値を2回積分するこ
とにより、空間回動角を算定する。
数設けるかによつて2つの発明に分かれる。この
ような測定ユニツトを単数又は複数設けた測定器
を、測定ユニツトの可動コイルの軸が空間で回動
する運動体の回動面に直角の方向と一致するよう
に運動体に取付け、運動体の回動時に可動コイル
に生ずる出力電圧を(複数ユニツトの場合は合算
して)計測し、この計測値を積分して測定器の出
力とする。この測定器の出力値を2回積分するこ
とにより、空間回動角を算定する。
上記測定ユニツトの出力電圧の積分値は運動体
の角加速度に比例し、これを更に2回積分するこ
とにより回動角出力が得られる。
の角加速度に比例し、これを更に2回積分するこ
とにより回動角出力が得られる。
以下、図示の実施例により本発明を具体的に説
明する。
明する。
第1図は第1の発明に用いる(すなわち単数の
測定ユニツトを有する)測定器の例を示すもの
で、同図イは斜視図、同図ロは平面図である。こ
れらの図において、Mは測定器を全体として示
し、uはその中の測定ユニツト、Cは測定回路部
である。測定ユニツトuは、直流電流計状の構造
を有する。すなわち、可動コイル1が永久磁石2
と欠円状継鉄3の間隙の等分布磁界内に零位保持
用の渦巻ばね4を介して回転自在に懸吊支持され
ている。いま、空間座漂系をO−XYZ、運動体
の座標系をO−ξηζとし、運動体は、Oζ軸を空間
座漂軸OZに一致させこれを軸として角速度ω、
角加速度ω〓で回転運動を行なうものとする(面
ξOηは空間XOY面内にある。)。一方、この運動
体上にある測定ユニツトuは、コイル軸心Oを通
る軸を運動体のOζ軸に、また、コイルに直交す
る方向をOη軸に一致させて運動体に取付けられ
ているものとする。
測定ユニツトを有する)測定器の例を示すもの
で、同図イは斜視図、同図ロは平面図である。こ
れらの図において、Mは測定器を全体として示
し、uはその中の測定ユニツト、Cは測定回路部
である。測定ユニツトuは、直流電流計状の構造
を有する。すなわち、可動コイル1が永久磁石2
と欠円状継鉄3の間隙の等分布磁界内に零位保持
用の渦巻ばね4を介して回転自在に懸吊支持され
ている。いま、空間座漂系をO−XYZ、運動体
の座標系をO−ξηζとし、運動体は、Oζ軸を空間
座漂軸OZに一致させこれを軸として角速度ω、
角加速度ω〓で回転運動を行なうものとする(面
ξOηは空間XOY面内にある。)。一方、この運動
体上にある測定ユニツトuは、コイル軸心Oを通
る軸を運動体のOζ軸に、また、コイルに直交す
る方向をOη軸に一致させて運動体に取付けられ
ているものとする。
次に、第1図ロにより測定器Mの動作を説明す
る。この図において、第1図イと対応する部分に
は同一の符号を付してある。測定回路部C内のa
は増幅器、in0は積分回路を示す。運動体が上述
のように角加速度ω〓で回動運動をするとき、可動
コイル1は、慣性トルクTiを受けてばね4を捩
り、偏角θの回転をする。このとき、可動コイル
1は、空隙の等分布磁束を横切つて偏角速度
dθ/dtに比例した起電圧Eを誘起する。
る。この図において、第1図イと対応する部分に
は同一の符号を付してある。測定回路部C内のa
は増幅器、in0は積分回路を示す。運動体が上述
のように角加速度ω〓で回動運動をするとき、可動
コイル1は、慣性トルクTiを受けてばね4を捩
り、偏角θの回転をする。このとき、可動コイル
1は、空隙の等分布磁束を横切つて偏角速度
dθ/dtに比例した起電圧Eを誘起する。
この場合の可動コイル1の運動方程式は、可動
部の慣性モーメントをI、制動定数をr、渦巻ば
ねの制御定数をkとすると、次のようになる。
部の慣性モーメントをI、制動定数をr、渦巻ば
ねの制御定数をkとすると、次のようになる。
Id2θ/dt2+rdθ/dt+kθ=Ti ……(1)
ここに、Ti=Iω〓 ……(2)
また、(1)式において運動系(可動部)の制動率
をε、自己振動周期をT0とすれば、次の関係が
成立つ。
をε、自己振動周期をT0とすれば、次の関係が
成立つ。
したがつて、外力Tiが時間と共に変化する関数
形すなわちTi(t)の場合の可動の可動部の偏角θ(t)
は、(3)式の条件の下でTi(t)に対して位相差とゲー
ン比をもつて応答回転運動を行なう。いま、簡単
のため臨界条件(ε/T0=2π)の下の理想状態
を取扱えば、 θ=Ti/k=I/kω〓 ……(4) となる。
形すなわちTi(t)の場合の可動の可動部の偏角θ(t)
は、(3)式の条件の下でTi(t)に対して位相差とゲー
ン比をもつて応答回転運動を行なう。いま、簡単
のため臨界条件(ε/T0=2π)の下の理想状態
を取扱えば、 θ=Ti/k=I/kω〓 ……(4) となる。
一方、誘起電圧Eは、可動コイル1の巻線を
n、面積をA、空隙の磁束をBとすれば、次式で
表わせる。
n、面積をA、空隙の磁束をBとすれば、次式で
表わせる。
E=BnAdθ/dt ……(5)
したがつて、第1図ロにおいて、測定ユニツト
uの可動コイル1には矢印で示すような慣性力Ti
(Iω〓)が加わり、可動コイル1の出力端子t0より
は電圧Eが発生する。この電圧Eを測定回路部C
に導入し、増幅起a(簡単のため増幅率を1とす
る。)を介して積分回路in0に印加する。その出力
値をE0とすれば、 E0=∫Edt=BnAθ=BnA/kIω〓 ……(6) となる。
uの可動コイル1には矢印で示すような慣性力Ti
(Iω〓)が加わり、可動コイル1の出力端子t0より
は電圧Eが発生する。この電圧Eを測定回路部C
に導入し、増幅起a(簡単のため増幅率を1とす
る。)を介して積分回路in0に印加する。その出力
値をE0とすれば、 E0=∫Edt=BnAθ=BnA/kIω〓 ……(6) となる。
(6)式の右辺BnA/kIω〓のBnAI/kはこの測定器M
の 常数であるから、BnAI/kを角度系のスケールの 重みと考え、このスケールで表わした角加速度を
Ω〓とすると、 E0=Ω〓 ……(7) を得る。すなわち、測定器Mの出力E0は、常に
運動体の角加速度に比例した値を示すことにな
る。これを第3図に示すような2回積分回路に印
加すると、E0(Ω〓)は第1次積分回路in1で積分さ
れて回動角速度Ωに対応する出力(−Ω)とな
り、この(−Ω)は更に第2次積分回路in2で積
分されて回動角出力δが求められる。
の 常数であるから、BnAI/kを角度系のスケールの 重みと考え、このスケールで表わした角加速度を
Ω〓とすると、 E0=Ω〓 ……(7) を得る。すなわち、測定器Mの出力E0は、常に
運動体の角加速度に比例した値を示すことにな
る。これを第3図に示すような2回積分回路に印
加すると、E0(Ω〓)は第1次積分回路in1で積分さ
れて回動角速度Ωに対応する出力(−Ω)とな
り、この(−Ω)は更に第2次積分回路in2で積
分されて回動角出力δが求められる。
第2図は第2の発明に用いる(すなわち複数の
測定ユニツトを有する)測定器の2つの例を示す
もので、同図イは3個の測定ユニツトをもつも
の、同図ロは6個の測定ユニツトをもつものを示
す。これらの図において、測定器全体をM3及び
M6で示し、第1図の符号Mと区別してある。た
だし、個々の測定ユニツトu及び付属測定回路部
Cの構成は、それぞれ第1図のものと同じであ
る。よつて、第1図と対応する部分には同一の符
号を付してある。第2図において、各測定ユニツ
トuはすべて同大で、各ユニツトとも可動軸を
Oζと平行に取付けられる。そして、各ユニツト
の可動コイル1の出力端子は、破線で示すように
直列に接続して各測定回路部Cの増幅器aの入力
に接続する。すなわち、第2図イでは3コイルが
直列に、第2図ロでは6コイルが直列に接続され
て、各測定回路部Cの増幅器aに入力されてい
る。増幅器aは、高入力インピーダンスの増幅器
で入力電圧を正確に計測出力に変換する。
測定ユニツトを有する)測定器の2つの例を示す
もので、同図イは3個の測定ユニツトをもつも
の、同図ロは6個の測定ユニツトをもつものを示
す。これらの図において、測定器全体をM3及び
M6で示し、第1図の符号Mと区別してある。た
だし、個々の測定ユニツトu及び付属測定回路部
Cの構成は、それぞれ第1図のものと同じであ
る。よつて、第1図と対応する部分には同一の符
号を付してある。第2図において、各測定ユニツ
トuはすべて同大で、各ユニツトとも可動軸を
Oζと平行に取付けられる。そして、各ユニツト
の可動コイル1の出力端子は、破線で示すように
直列に接続して各測定回路部Cの増幅器aの入力
に接続する。すなわち、第2図イでは3コイルが
直列に、第2図ロでは6コイルが直列に接続され
て、各測定回路部Cの増幅器aに入力されてい
る。増幅器aは、高入力インピーダンスの増幅器
で入力電圧を正確に計測出力に変換する。
いま、測定器M3及びM6が取付けられた運動体
がω〓の回動運動を行なう場合を考える。この場
合、各測定ユニツトuの可動部の運動系常数値
I、k、r、したがつてT0、ε及び電磁気系常
数値B、n、Aが各ユニツトとも同一とすれば、
(1)〜(5)式の関係が各ユニツトにおいて成立する。
したがつて、各測定ユニツトuにおいて(5)式のE
電圧が等量誘起され、第2図イの場合は3E、第
2図ロの場合は6Eの電圧がそれぞれの測定回路
部Cの増幅器aに導入される。この増幅器aは、
上述のように高入力インピーダンスをもつ増幅器
であるので、それぞれの合算入力電圧はそのまま
正確に計測電圧に変換される。この場合も簡単の
ため増幅率を1にとると、その出力電圧は引続き
各積分回路in0に与えられ、測定器M3、M6の出
力値3E、6E0が求められる。
がω〓の回動運動を行なう場合を考える。この場
合、各測定ユニツトuの可動部の運動系常数値
I、k、r、したがつてT0、ε及び電磁気系常
数値B、n、Aが各ユニツトとも同一とすれば、
(1)〜(5)式の関係が各ユニツトにおいて成立する。
したがつて、各測定ユニツトuにおいて(5)式のE
電圧が等量誘起され、第2図イの場合は3E、第
2図ロの場合は6Eの電圧がそれぞれの測定回路
部Cの増幅器aに導入される。この増幅器aは、
上述のように高入力インピーダンスをもつ増幅器
であるので、それぞれの合算入力電圧はそのまま
正確に計測電圧に変換される。この場合も簡単の
ため増幅率を1にとると、その出力電圧は引続き
各積分回路in0に与えられ、測定器M3、M6の出
力値3E、6E0が求められる。
同様にして、一般に測定ユニツト数がm個の測
定器Mnにおいては、その出力電圧はmE0となる。
したがつて、単数ユニツト測定器Mの場合の(6)及
び(7)式変換と同様にmE0=(mBnAI/k)ω〓である から、mBnAI/kを測定器Mnによるω〓測定の角度 系のスケールの重みと考え、このスケールで表わ
した角加速度ω〓をΩ〓nとすると、 mE0=Ω〓n ……(7m) を得る。
定器Mnにおいては、その出力電圧はmE0となる。
したがつて、単数ユニツト測定器Mの場合の(6)及
び(7)式変換と同様にmE0=(mBnAI/k)ω〓である から、mBnAI/kを測定器Mnによるω〓測定の角度 系のスケールの重みと考え、このスケールで表わ
した角加速度ω〓をΩ〓nとすると、 mE0=Ω〓n ……(7m) を得る。
すなわち、測定器Mnにより求められた角加速
度Ω〓nは単数ユニツトで求められたΩ〓値と同一の
値を示すが、Ω〓nの測定精度はΩ〓nの測定精度はΩ〓
のm倍である。すなわち、単数ユニツトの場合に
比べ第2図イでは3倍、第2図ロでは6倍に測定
精度が向上する。なお、複数ユニツトの測定器
Mnの場合はこのように測定精度の向上が得られ
るが、各測定ユニツトuの機械系及び電磁系の常
数は単数ユニツトの場合と同じであるから、計測
の時定数に変動をもたらすことは全くない。
度Ω〓nは単数ユニツトで求められたΩ〓値と同一の
値を示すが、Ω〓nの測定精度はΩ〓nの測定精度はΩ〓
のm倍である。すなわち、単数ユニツトの場合に
比べ第2図イでは3倍、第2図ロでは6倍に測定
精度が向上する。なお、複数ユニツトの測定器
Mnの場合はこのように測定精度の向上が得られ
るが、各測定ユニツトuの機械系及び電磁系の常
数は単数ユニツトの場合と同じであるから、計測
の時定数に変動をもたらすことは全くない。
上記の測定器Mnの出力値Ω〓nは第1図の場合と
同様に第3図の2回積分回路に導入され、回動速
度Ωn及び回動角δnが求められるが、これらの値
Ωn、δnの測定精度もm倍となる。すなわち、単
数ユニツト測定器Mに比し、第2図イでは3倍、
第2図ロでは6倍の精度向上が得られる。
同様に第3図の2回積分回路に導入され、回動速
度Ωn及び回動角δnが求められるが、これらの値
Ωn、δnの測定精度もm倍となる。すなわち、単
数ユニツト測定器Mに比し、第2図イでは3倍、
第2図ロでは6倍の精度向上が得られる。
(a) 第1の発明すなわち測定ユニツトが単数のも
のは、空間回動角加速度すなわちω〓が大きいス
イング・センサ(振り型センサ)などに用いて
有利である。例えば、上肢欠損等の身障者が装
着する義手を操作するため、前後左右の回動角
を計測しうる2個のスイング・センサを頭部に
装着し、頭部を前後左右に振ることにより義手
を駆動する信号を与えることができる。この場
合には、ω〓の大きさを一定にして上下左右の空
間回動角を規定範囲内に設定しうる。
のは、空間回動角加速度すなわちω〓が大きいス
イング・センサ(振り型センサ)などに用いて
有利である。例えば、上肢欠損等の身障者が装
着する義手を操作するため、前後左右の回動角
を計測しうる2個のスイング・センサを頭部に
装着し、頭部を前後左右に振ることにより義手
を駆動する信号を与えることができる。この場
合には、ω〓の大きさを一定にして上下左右の空
間回動角を規定範囲内に設定しうる。
(b) 第2の発明すなわち測定ユニツトが複数のも
のは、ロボツト・アームの運動制御又は人体の
運動解析に適する。これらの運動においては、
最小角加速度限定が定まつており、これより角
加速度値を漸次増加するにしても最大限度が制
限されているので、最小角加速度を計測しうる
出力値(複数ユニツトの出力和)mE0に基いて
測定ユニツトuの数を選択する。
のは、ロボツト・アームの運動制御又は人体の
運動解析に適する。これらの運動においては、
最小角加速度限定が定まつており、これより角
加速度値を漸次増加するにしても最大限度が制
限されているので、最小角加速度を計測しうる
出力値(複数ユニツトの出力和)mE0に基いて
測定ユニツトuの数を選択する。
また、複数ユニツトの測定器は、航空用ジヤ
イロ等の慣性装置の代わりに用いることも可能
である。この場合は、計測できる最小角加速度
が空間方位のドリフト・レートすなわち測定精
度を決定することになる。したがつて、このよ
うな場合には、最小角加速度に応答できる程度
まで測定ユニツト数を増加することが必要とな
る。
イロ等の慣性装置の代わりに用いることも可能
である。この場合は、計測できる最小角加速度
が空間方位のドリフト・レートすなわち測定精
度を決定することになる。したがつて、このよ
うな場合には、最小角加速度に応答できる程度
まで測定ユニツト数を増加することが必要とな
る。
(c) 第1及び第2の発明とも、市販の直流電流計
型測定ユニツトを単数又は複数個使用した測定
器を運動体に装着して、その空間回動角を測定
することができる。しかも、測定ユニツトは容
積が小さいため、人体、ロボツトその他一般走
行体を含む運動体に対し、測定に必要な最小限
度の運動体座標空間に充満して多数の測定ユニ
ツトを装着できる利点があり、且つ製造費も低
廉ですむ特長がある。
型測定ユニツトを単数又は複数個使用した測定
器を運動体に装着して、その空間回動角を測定
することができる。しかも、測定ユニツトは容
積が小さいため、人体、ロボツトその他一般走
行体を含む運動体に対し、測定に必要な最小限
度の運動体座標空間に充満して多数の測定ユニ
ツトを装着できる利点があり、且つ製造費も低
廉ですむ特長がある。
第1図は第1の発明に用いる測定器の例を示
し、第2図は第2の発明に用いる測定器の例を示
し、第3図は第1及び第2の発明に用いる2回積
分回路の例を示す。 1……可動コイル、u……測定ユニツト、Ti…
…慣性トルク、E……可動コイルの出力電圧、
in0……積分手段、in1及びin2……2回積分手段、
δ(δn)……空間回動角。
し、第2図は第2の発明に用いる測定器の例を示
し、第3図は第1及び第2の発明に用いる2回積
分回路の例を示す。 1……可動コイル、u……測定ユニツト、Ti…
…慣性トルク、E……可動コイルの出力電圧、
in0……積分手段、in1及びin2……2回積分手段、
δ(δn)……空間回動角。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 空間で回動する運動体にその回動面に直角の
方向に可動コイルの軸を一致させて取付けた直流
電流計型測定ユニツトにおいて上記運動体の回動
時に上記ユニツトの可動部に作用する慣性トルク
による上記コイルの空隙磁場内の回転運動によつ
て生じる上記コイルの出力電圧を計測し、且つこ
の計測値を積分するように構成した測定器と、 この測定器の出力値を2回積分する手段とを具
え、上記運動体の回動時の空間回動角を自動的に
算定することを特徴とする空間回動角算定装置。 2 空間で回動する運動体にその回動面に直角の
方向にそれぞれの可動コイルの軸を一致させて取
付けた複数個の直流電流計型測定ユニツトにおい
て上記運動体の回動時に上記ユニツトの可動部に
作用する慣性トルクによる上記コイルの空隙磁場
内の回転運動によつて生じる上記コイルの出力電
圧を加算して計測し、且つこの計測値を積分する
ように構成した測定器と、 この測定器の出力値を2回積分する手段とを具
え、上記運動体の回動時の空間回動角を自動的に
算定することを特徴とする空間回動角算定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3238985A JPS61191901A (ja) | 1985-02-20 | 1985-02-20 | 空間回動角算定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3238985A JPS61191901A (ja) | 1985-02-20 | 1985-02-20 | 空間回動角算定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61191901A JPS61191901A (ja) | 1986-08-26 |
| JPH0445041B2 true JPH0445041B2 (ja) | 1992-07-23 |
Family
ID=12357594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3238985A Granted JPS61191901A (ja) | 1985-02-20 | 1985-02-20 | 空間回動角算定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61191901A (ja) |
-
1985
- 1985-02-20 JP JP3238985A patent/JPS61191901A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61191901A (ja) | 1986-08-26 |
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