NO843472L

NO843472L - DEVICE FOR ANGLE SPEED MEASUREMENT

Info

Publication number: NO843472L
Application number: NO843472A
Authority: NO
Inventors: Rex B Peters
Original assignee: Sundstrand Data Control
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-08-31
Publication date: 1985-03-04
Also published as: HK20387A; GB2145824A; IL72542A0; CH661358A5; JPS6066110A; AU2896484A; SE8404319L; GB8422024D0; SE8404319D0; GB2145824B; ZA846116B; IT8448741A0; DE3431615A1; NL8402552A; CA1215245A; FR2557978A1; AU554302B2; FR2557978B1; BE900483A; IL72542A

Description

Oppfinnelsen angår bestemmelse av vinkelhastighet vedThe invention concerns the determination of angular velocity by

bruk av bevegelige akselerometre, og mer spesielt vinkelhastighets-detektorer som benytter parede akselerometre. use of moving accelerometers, and more particularly angular velocity detectors using paired accelerometers.

I patentsøknad, serie nr. 357.714 blir det vist en frem-gangsmåte og et apparat for å måle spesifikk kraft-vektor og vinkelhastighets-vektor av et legeme i bevegelse ved hjelp av et flertall periodisk drevne akselerometre. Patentsøknad, serie nr. 357.715 beskriver lignende teknikker for å måle spesifikk kraft-vektor og vinkelhastighets-vektor av et legeme i bevegelse ved bruk av enten et enkelt eller et par akselerometre som vibrere med en konstant frekvens. I utførelsen av hastighets- og kraftsensorer med parede akselerometre som beskrevet i den ovennevnte patentsøknad, blir massene av akselerometrene balansert med hensyn til rettlinjet translasjon. Dette betyr at akselerometerparet kan festes til en monteringsramme uten å forårsake vibrerende translasjon av masse-senteret. Akselerometer-utformingen som beskrevet i den ovennevnte patent-søknad vil imidlertid generere vinkel-vibrasjon av enhver masse til hvilken de er festet, rundt senteret av den massen. In patent application, serial no. 357,714, a method and an apparatus are shown for measuring the specific force vector and angular velocity vector of a body in motion by means of a plurality of periodically driven accelerometers. Patent Application Serial No. 357,715 describes similar techniques for measuring the specific force vector and angular velocity vector of a moving body using either a single or a pair of accelerometers vibrating at a constant frequency. In the design of speed and force sensors with paired accelerometers as described in the above patent application, the masses of the accelerometers are balanced with respect to rectilinear translation. This means that the accelerometer pair can be attached to a mounting frame without causing vibrating translation of the center of mass. However, the accelerometer design as described in the above patent application will generate angular vibration of any mass to which they are attached, about the center of that mass.

Som man kan vente er det viktig i mange systemer, såsom i inerti-navigasjonssystemer, å redusere til et minimum enhver vibrasjon som kunne påvirke systemet, enten det er lineær vibrasjon eller vinkelvibrasjon. I et inerti-navigasjonssystem er det f.eks. viktig å minimalisere effekten av en sensor på virk-ningen av andre sensorer i navigasjonssystemet. As might be expected, it is important in many systems, such as in inertial navigation systems, to reduce to a minimum any vibration that could affect the system, be it linear vibration or angular vibration. In an inertial navigation system, there is e.g. important to minimize the effect of a sensor on the effect of other sensors in the navigation system.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse å frembringe et kraft- og vinkelrate-følerapparat som benytter et par vibrerende akselerometre anordnet på en slik måte at moment som følge av vibrasjonen av akselerometrene blir i det vesentlige eliminert. It is therefore an object of the present invention to produce a force and angular rate sensor device which uses a pair of vibrating accelerometers arranged in such a way that torque resulting from the vibration of the accelerometers is essentially eliminated.

Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe et apparat for å generere et signal som representerer vinkelhastighets-bevegelsen av en struktur som omfatter: et første og et annet akselerometer; en struktur for å innrette akselerometrene i et side-ved-side-forhold med den kraftfølsomme akse av et akselerometer parallell med den andre; en vibrasjons-mekanisme for å vibrere akselerometrene individuelt i en i det vesentlige lineær retning langs en vibrasjonsakse, normal med akselerometrenes kraftfølsomme akse, ved en frekvens tu; og en signalprosessor for å generere hastighets-signaler som representerer vinkel-bevegelsen av strukturen rundt en akse, perpendikulær med det plan som defineres av den kraftfølsomme akse og vibrasjonsaksen. Another object of the invention is to provide an apparatus for generating a signal representing the angular velocity movement of a structure comprising: a first and a second accelerometer; a structure for aligning the accelerometers in a side-by-side relationship with the force-sensitive axis of one accelerometer parallel to the other; a vibration mechanism for vibrating the accelerometers individually in a substantially linear direction along a vibration axis, normal to the force-sensitive axis of the accelerometers, at a frequency tu; and a signal processor for generating velocity signals representing the angular movement of the structure about an axis perpendicular to the plane defined by the force-sensitive axis and the vibration axis.

Et videre formål med oppfinnelsen er å frembringe en vinkelhastighetsfølende akselerometerstruktur som omfatter et hus, en aksel montert for rotasjon inne i huset; et første akselerometer festet til en første støttedel; en første fleks-montering for å feste den første støttedel til huset slik at det første akselerometeret kan bevege seg på en i det vesentlige lineær måte i en retning som er generelt normal med aksel-ens akse og i en retning til og bort fra akselen. Strukturen omfatter også en annen støttedel som fester et annet akselerometer; en annen fleks-montering for å feste den annen støtte-del til huset slik at det annet akselerometer kan bevege seg på en i det vesentlige lineær måte i en retning generelt normal med aksen av akselen, i en retning til og mot akselen; en mekanisme for roterende vibrasjon av akselen, og en forbindelsesledd-anordning forbundet med akselen og den første og annen støttedel, for å vibrere akselerometrene i de retninger som tillates av fleks-monteringene. A further object of the invention is to produce an angular velocity sensing accelerometer structure comprising a housing, a shaft mounted for rotation within the housing; a first accelerometer attached to a first support member; a first flex mount for attaching the first support member to the housing so that the first accelerometer can move in a substantially linear manner in a direction generally normal to the axis of the axle and in a direction toward and away from the axle. The structure also includes another support part which mounts another accelerometer; a second flex mount for attaching the second support member to the housing so that the second accelerometer can move in a substantially linear manner in a direction generally normal to the axis of the axle, in a direction towards and towards the axle; a mechanism for rotary vibration of the shaft, and a link assembly connected to the shaft and the first and second support members, for vibrating the accelerometers in the directions permitted by the flex mounts.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 er et forenklet perspektiv-diagram av et par akselerometre i en side-ved-side-anordning, med sine kraft-følsomme akser på linje og i den samme retning; In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawings, where: Figure 1 is a simplified perspective diagram of a pair of accelerometers in a side-by-side arrangement, with their force-sensitive axes aligned and in the same direction;

figur 2 er et oppriss av en mekanisme for å realisere anordningen med parede akselerometre på figur 1; figure 2 is an elevation of a mechanism for realizing the device with paired accelerometers of figure 1;

figur 3 er et sideriss av akselerometer-anordningen på figur 2; og Figure 3 is a side view of the accelerometer device of Figure 2; and

figur 4 er et blokkdiagram av en analog signal-adskillel-seskrets for bruk med et par akselerometre. Figure 4 is a block diagram of an analog signal separation circuit for use with a pair of accelerometers.

Som vist på figur 1 er et par akselerometre 10 og 12 montert i en side-ved-side-anordning med sine kraft-følsomme akser A Z 1 og A Z2 på o linje i den samme retning. For å minimalisere enhver masse-ubalanse såvel som moment-ubalanse som kunne bli overført til en støttestruktur (ikke vist), blir akselerometrene 10 og 12 vibrert i motsatte retninger til og bort fra hverandre langs aksen som indikert ved linjene 14 og 16, som er normale med de følsomme akser A z og ^ A z<2>Som beskrevet i detalj J i de nevnte patentsøknader, kan akselerasjons-signalene fra akselerometrene 10 og 12 brukes til å frembringe signaler som representerer translasjon av strukturen som inneholder akselero-1 2 As shown in Figure 1, a pair of accelerometers 10 and 12 are mounted in a side-by-side arrangement with their force-sensitive axes A Z 1 and A Z2 on o line in the same direction. To minimize any mass imbalance as well as moment imbalance that could be transferred to a support structure (not shown), the accelerometers 10 and 12 are vibrated in opposite directions to and away from each other along the axis as indicated by lines 14 and 16, which are normal to the sensitive axes A z and ^ A z<2>As described in detail J in the aforementioned patent applications, the acceleration signals from the accelerometers 10 and 12 can be used to generate signals representing translation of the structure containing accelero-1 2

metrene 10 og 12 langs aksene A^ og A^ sammen med signaler som representerer vinkelrotasjon av strukturen. Den fore-trukne utførelse av et apparat for å mekanisere den parede kaselerometerstruktur på figur 1 er illustrert på figurene 2 og 3. I dette apparat er i det vesentlige lineær translasjon av akseleromtrene 10 og 12 langs aksene 14 og 16 som vist på figur 1 anordnet ved en mekanisme som omfatter et par støttedeler 18 og 20, som holder akselerometrene 10 og 12. I sin tur er støttedelene 18 og 20 festet til et hus 22 ved hjelp av et par fleksible monteringer 24 og 26. En aksel 28 som er roterbart festet inne i huset 22 med et par lagre 30 og 32, har et binde-ledd 34 festet til den. Festet til bindeleddet 34 er det et par pinner 36 og 38 som er satt inn i spor 40 og 42 utformet i støttedelene 18 og 20. meters 10 and 12 along axes A^ and A^ together with signals representing angular rotation of the structure. The preferred embodiment of an apparatus for mechanizing the paired accelerometer structure of Figure 1 is illustrated in Figures 2 and 3. In this apparatus, essentially linear translation of the accelerometers 10 and 12 along axes 14 and 16 as shown in Figure 1 is arranged by a mechanism comprising a pair of support members 18 and 20, which hold the accelerometers 10 and 12. In turn, the support members 18 and 20 are attached to a housing 22 by means of a pair of flexible mounts 24 and 26. A shaft 28 which is rotatably attached inside the housing 22 with a pair of bearings 30 and 32, has a connecting link 34 attached to it. Attached to the link 34 are a pair of pins 36 and 38 which are inserted into grooves 40 and 42 formed in the support parts 18 and 20.

Til akselen 28 er det også festet en rotor 44, som når kombinert med en stator 46 festet til huset 22, vil forårsake at akselen vibrerer frem og tilbake gjennom en liten vinkel, ved en frekvens cu. Som man også kan se fra figurene 2 og 3 vil vibrasjonen av akselen 28 resultere i at pinnene 36 og 38 tvinger støttedelene 18 og 20, og derfor akselerometrene 10 og 12, til å bevege seg i retning som er perpendikulær med akselen, og mot og bort fra hverandre. Also attached to the shaft 28 is a rotor 44, which when combined with a stator 46 attached to the housing 22, will cause the shaft to vibrate back and forth through a small angle, at a frequency cu. As can also be seen from figures 2 and 3, the vibration of the shaft 28 will result in the pins 36 and 38 forcing the support parts 18 and 20, and therefore the accelerometers 10 and 12, to move in a direction perpendicular to the shaft, and towards and away from each other.

Da akselerometrene 10 og 12 bare vil bevege seg meget små avstander, vil deres bevegelsesretning være i det vesentlige lineær i forhold til aksen av akselen 28. Signaler som representerer rotasjons-bevegelsen av akselen 28 av akselerometrene 10 og 12 kan bli oppnådd ved hjelp av kondensator-opptaks-anordningen vist ved 48. Den kapasitive vinkeldetektor 48 frem-bringer et middel for vinkelbevegelse-tilbakekobling som kan brukes til å opprettholde den drevne bevegelse av akselen 22 konstant over en tid. Since the accelerometers 10 and 12 will only move very small distances, their direction of movement will be substantially linear with respect to the axis of the shaft 28. Signals representing the rotational movement of the shaft 28 of the accelerometers 10 and 12 can be obtained by means of capacitor - recording device shown at 48. The capacitive angle detector 48 provides a means of angular motion feedback which can be used to maintain the driven motion of the shaft 22 constant over time.

En signal-prosessor for å skille kraftsignalene F fra vinkelhastighets-signalene Sl og utgangs-signalene fra akselerometrene 10 og 12 er anordnet på figur 4. En styringspuls-generator 50 genererer signaler på en linje 52 som en funksjon av frekvensen u), som vil forårsake en driver-signalgenerator 54 til å vibrere akselerometrene 10 og 12 med en frekvens UJ , som tidligere beskrevet. Utgangs-signalene fra akselerometrene 1 2 10 og 12, az og az<2>blir sendt over linjene 56 og 58 til en for-adskillelsesprosessor 60. For-adskillelsesprosessoren 60 vist på figur 4 passer for mekanisering av parede akselerometre av den type som er vist på figur 1, hvor de kraftfølsomme akser A og A er innrettet i den samme retning. Akselerometer-utgangssignalene på linjene 56 og 58 blir summert ved et summeringspunkt 62 og subtrahert i et summeringspunkt 64. Et par skaleringsforsterkere 66 og 68 mottar de summerte og subtra-herte signalene fra summeringspunktene 62 og 64 over linjene 70 og 72 . A signal processor for separating the force signals F from the angular velocity signals Sl and the output signals from the accelerometers 10 and 12 is arranged in Figure 4. A control pulse generator 50 generates signals on a line 52 as a function of the frequency u), which will cause a driver signal generator 54 to vibrate the accelerometers 10 and 12 at a frequency UJ , as previously described. The output signals from the accelerometers 1 2 10 and 12, az and az<2> are sent over lines 56 and 58 to a pre-separation processor 60. The pre-separation processor 60 shown in Figure 4 is suitable for the mechanization of paired accelerometers of the type shown in Figure 1, where the force-sensitive axes A and A are aligned in the same direction. The accelerometer output signals on lines 56 and 58 are summed at a summing point 62 and subtracted at a summing point 64. A pair of scaling amplifiers 66 and 68 receive the summed and subtracted signals from summing points 62 and 64 over lines 70 and 72.

Prinsippet kraft-adskillelse er det samme som det beskrevet i den tidligere nevnte Merhav-søknad, serie nr. 357.715, hvor det kombinerte signal fra forsterkeren 66 blir frembragt over en linje 74 til en kraftkanal 76. Kraftkanalen 76 omfatter en integreringskrets og en sample-and-hold-krets med signaler fra styringspulsgeneratoren 50 som blir ført over linjene 78 og 80 til integrerings- og sample-and-hold-kretsene. De kombinerte akselerasjons-signaler på linjen 74 blir integrert over den samme periode T av frekvensen uj til å frembringe et kraftsignal Fzpå linjen 82, som representerer endringen i hastighet langs aksen Z av strukturen eller huset 22 som holder akselerometrene 10 og 12. The principle of power separation is the same as that described in the previously mentioned Merhav application, series no. 357,715, where the combined signal from the amplifier 66 is produced over a line 74 to a power channel 76. The power channel 76 comprises an integration circuit and a sample and-hold circuit with signals from the control pulse generator 50 being passed over lines 78 and 80 to the integrating and sample-and-hold circuits. The combined acceleration signals on line 74 are integrated over the same period T of frequency uj to produce a force signal Fz on line 82, which represents the change in velocity along the axis Z of the structure or housing 22 holding the accelerometers 10 and 12.

På lignende måte mottar en vinkelhastighetskanal-prosessor 84 differanse-signalene over linjen 86, og multipliserer den med den periodiske null-middelfunksjon sgnciot. Som med kraftkanalen, blir det resulterende signal integrert over en tids-periode T gjennom en sample-and-hold-krets til en utgangslinje 88. Signalet som representerer vinkelhastighets-informasjon blir sendt gjennom et lavpassfilter 90 og ut på en linje 92. Similarly, an angular velocity channel processor 84 receives the difference signals over line 86 and multiplies it by the periodic zero-mean function sgnciot. As with the power channel, the resulting signal is integrated over a time period T through a sample-and-hold circuit to an output line 88. The signal representing angular velocity information is passed through a low-pass filter 90 and out on a line 92.

På den ovenstående måte kan signaler fra akselerometer-anordningen illustrert på figurene 1 til 3 bli behandlet til å generere kraft-signaler og vinkelhastighets-signaler. In the above manner, signals from the accelerometer device illustrated in Figures 1 to 3 can be processed to generate force signals and angular velocity signals.

Claims

1. Apparatus for generating a signal representing the angular velocity of a structure, characterized in that it comprises: a first accelerometer for generating a first output signal representing acceleration along a first force-sensitive axis; another accelerometer for generating another output representing acceleration along another force-sensitive axis; alignment means for aligning the first and second accelerometers in a side-by-side relationship with said first force-sensitive axis parallel to the second force-sensitive axis; vibration device, operatively connected to the structure and said device device for vibrating the first and second accelerometers in opposite directions along a vibration axis normal to the force-sensitive axis at a frequency uJ; and a signal processor device sensitive to the first and second output signals to generate a velocity signal representing the angular velocity of the structure about an axis perpendicular to the plane defined by the force-sensitive axis and the vibration axis.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the first and second force-sensitive axes are aligned in opposite directions.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the first and the second force-sensitive axis are aligned in the same direction.

4. Angular velocity-sensitive accelerometer structure, characterized in that it comprises: a house; a shaft, rotatably mounted in the housing; a first support part; a first accelerometer attached to the first support member; a first flex device for attaching the first support member to the housing so that the first accelerometer can move in a substantially linear manner in a direction generally normal to the axis of the axle, and a direction towards and away from the axle; another support part; a second accelerometer attached to the second support member; a second flex device for attaching the second support member to the housing so that the second accelerometer can move in a substantially linear manner in a direction generally normal to the axis of the shaft, and in a direction towards and away from the shaft; a vibration device for rotary vibration of the shaft; and a connecting link device connected to the shaft and the first and second support members to vibrate the first and second accelerometers in the direction of movement permitted by the first and second flex devices.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the force-sensitive axis of the first and second accelerometers are aligned and in the same direction.

6. Apparatus according to claim 4, characterized in that the vibration device comprises an electric motor with a rotor attached to the shaft and a stator attached to the housing.

7. Apparatus according to claim 4, characterized in that the connecting link device comprises a first and a second link part attached to the axle and placed against the first and second support part, respectively.