DE3414780A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer koerpervibration fuer ein laser-gyroskop mit niedrigem q-faktor - Google Patents

Description

-6-

Sundstrand Optical Technologies, Inc. Newbury Park, California V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Körpervibration für ein Laser-Gyroskop mit niedrigem Q-Faktor

Die Erfindung bezieht sich auf Ringlaser-Gyroskope und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Körpervibration für ein Laser-Gyroskop, die aufgrund von Phasenproblemen ("lock-in") entstehende Fehler des Ausgangssignals vermeiden.

In einem Laser-Gyroskop dienen zwei monochromatische Lichtstrahlen, die sich in einer Ebene senkrecht zu einer Drehachse entgegengesetzt in einer geschlossenen Schleife ausbreiten, zur Erfassung einer Drehung. Bei einer Drehung des Laser-Gyroskops wird der tatsächlich zurückgelegte Weg des einen Lichtstrahls länger, während der tatsächlich zurückgelegte Weg des anderen Lichtstrahls kürzer wird. Da die Schwingungsfrequenz eines Lasers von der wirksamen Laserlänge abhängt, entsteht zwischen beiden Strahlen ein Frequenzunterschied. Die Größe und das Vorzeichen dieses Frequenzunterschieds gibt die Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung des Gyroskops um seine wirksame Achse an und bildet somit das Gyroskop-Ausgangssignal.

572-B01633A/AtAl

Mit der Verringerung der zu erfassenden Drehgeschwindigkeit verringert sich gleichermaßen der Frequenzunterschied zwischen beiden Strahlen. Bei sehr kleinen Drehgeschwindigkeiten entstehen aufgrund von Phasenproblemen ("lock-in") Fehler, die eine Erfassung des Frequenzunterschieds zwischen den Strahlen verhindern. Diese Phasenprobleme entstehen , wenn der Frequenzunterschied zwischen beiden Strahlen gering ist, wobei der eine Strahl mit dem anderen Strahl koppelt und beide Strahlen mit derselben Frequenz schwingen. Dadurch ergibt sich eine Totzone oder ein Lock-In-Bereich, in dem das Gyroskop-Ausgangssignal nicht der Meßgröße folgt.

Diese Phasenprobleme bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten sollen durch verschiedene Vibrationsverfahren vermieden werden.

Ein aus der US-PS 3 373 650 bekanntes Verfahren verwendet einen Vibrationsmotor, der die Gyroskopbaugruppe mit ihrer Eigenfrequenz sinusförmig vibrieren läßt.

Ein weiteres aus der US-PS 3 467 472 bekanntes Verfahren, das den Lock-In-Effekt bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten minimiert, überlagert dem sinusförmigen Vibrationssignal des aus der US-PS 3 373 650 bekannten Verfahrens ein statistisches Rauschsignal und vibriert mit dem kombinierten Signal die Gyroskopbaugruppe. Die aus den genannten US-Patentschriften bekannten Gyroskopbaugruppen haben einen hohen Q-Faktor und können somit bei ihrer Eigenfrequenz zur Vibration angeregt werden.

In dem Artikel "Scale Factor Nonlinearity of a Body Dither Laser Gyro" von Thomas J. Hutchings and Daryl C. Stjern (1978) werden die Wirkungen einer sinusförmigen Körpervibration und einer sinusförmigen Körpervibration mit überlagertem statischen Rauschen für ein Lasergyroskop gemäß den oben genannten US-Patentschriften ausführlich untersucht.

Aus diesem Artikel ist zu entnehmen, daß bei sinusförmiger Vibration des Gyroskopkörpers besondere Skalenfaktorfehler oder Nichtlinearitäten des Ausgangssignals des Gyroskops nicht nur bei sehr kleinen Eingangsgrößen , sondern auch bei Eingangsgrößen, die Harmonische der Vibrationsfrequenz sind, auftreten. Der Artikel führt auch aus, daß auch bei Überlagerung des sinusförmigen Vibrationssignals mit statistischem Rauschen die Skalenfaktorfehler oder Nichtlinearitäten, die dann auftreten, wenn das Eingangssignal eine Oberfrequenz der Vibrationsfrequenz ist, auftreten, etwas verringert jedoch nicht vermieden sind. Dabei haben die untersuchten körpervibrierten Lasergyroskope wie auch alle bislang bekannten Lasergyroskope mit Körpervibration einen hohen Q-Faktor (Gütefaktor),

Der Grund, weshalb die bisher bekannten Lasergyroskope mit hohem Q-Faktor (100 oder mehr) vibriert werden, liegt darin, daß der Vibrationsmotor bei Vibration mit der Eigenfrequenz nur eine kleine Leistung haben muß. Wenn eine solche Baugruppe einen hohen Q-Faktor hat, bewirkt sie jedoch, daß nur diejenigen Rauschfrequenzanteile des dem sinusförmigen Vibrationssignal überlagerten statischen Rauschens zur Vibration beitragen, die bei oder sehr nahe bei der Eigenfrequenz der Baugruppe liegen. Deshalb läßt sich bei einer solchen Baugruppe mit hohem Q-Faktor lediglich eine sinusförmige Vibration, die mit einem geringen Betrag der in der Nähe der Eigenfrequenz der Baugruppe liegenden Frequenzanteile des statischen Rauschens amplitudenmoduliert ist, erreichen. Die Frequenzkomponenten, die nicht in der Nähe der Eigenfrequenz der Baugruppe liegen, tragen zur tatsächlichen Vibration nichts bei. Der geringe Amplitudenmodulationsanteil der sinusförmigen Vibration kann die Größe der Nichtlinearitäten, die entstehen, wenn das Eingangssignal Oberfrequenzen des Vibrationssignals aufweist, zwar verringern, jedoch nicht vermeiden.

Auf eine solche Gyroskopbaugruppe mit hohem Q-Faktor wirken außer der vom Vibrationsmotor erzeugten Vibration noch von

äußeren Einflüssen bewirkte Vibrationen ein. Deshalb muß man bei solchen Baugruppen mit hohem Q-Faktor zusätzliche Rückkoppelschaltungen vorsehen, um den Vibrationsmotor bei der Eigenfrequenz der Baugruppe zu betreiben, damit die gewünschte Vibrationsamplitude erhalten bleibt. Die Ausführung von Lasergyroskopen als Kombinationsinstrumente bedingt eigene Rückkoppelschaltungen für jeden dem jeweiligen Gyroskop eigenen Vibrationsmotor.

Es hat sich auch herausgestellt, daß sich die Gyroskopeinheiten in einer drei Gyroskope enthaltenden Instrumentenkombination, in der die drei Gyroskope in verschiedenen X, Y und Z-Richtungen ausgerichtet sind, und mit derselben Vibrationsfrequenz betrieben werden, in ihren Vibrationen überlagern. Dies bewirkt eine Bewegung der Instrumentenkombination auf einem Kegelmantel und ergibt die sogenannten Kegelfehler. Damit die Kegelfehler nicht auftreten, muß jede Gyroskopeinheit der Instrumentenkombination mit unterschiedlicher Frequenz vibriert werden. Somit muß die Strukturjeder Baugruppe in einer Instrumentenkombination, die drei durch Vibrationsmotoren vibrierte Baugruppen mit hohem Q-Faktor aufweist, anders sein, so daß jede Baugruppe mit unterschiedlicher Eigenfrequenz vibriert. Deshalb besteht ein weiterer Nachteil der körpervibrierten Lasergyroskope mit hohem Q-Faktor darin, daß sie nicht miteinander vertauschbar sind. Beispielsweise kann die Baugruppe für die X-Achse nicht die Baugruppe für die Y-Achse ersetzen. Deshalb ist eine umfangreiche Lagerhalterung für drei verschiedene Gyro-Vibrator-Baugruppen nötig.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die obengenannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Körpervibration für ein Lasergyroskop anzugeben, bei denen die Vibration in einem breiten Frequenzbereich erfolgen kann und bei denen Nichtlinearitäten oder Fehler des Gyroskopausgangssignals aufgrund von Lock-In-Zonen vermieden sind.

Zur Lösung der obigen Aufgabe arbeitet das Vibrationsverfahren mit einer frequenzmodulierten Vibrationsschwingung, die die Lock-In-Rate des Gyroskops statistisch verändert. Die Gyro-Vibrator -Baugruppe hat zur Lösung der obigen Aufgabe einen kleinen Q-Faktor, damit die Vibration in einem breiten Frequenzbereich erfolgen kann. Um den niedrigen Q-Faktor zu erzielen, wird die Eigenfrequenz der Baugruppe durch elektrische oder mechanische Dämpfung gedämpft.

Die Frequenzmodulation der Vibrationsbewegung wird entweder durch ein Ansteuersignal mit statisch verteilter Frequenz oder durch ein Ansteuersignal mit statisch verteilter Frequenz und Amplitude erzielt. Ebenso kann eine feste Frequenzmodulation verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Lösung weist insbesondere folgende Vorteile auf:

a) da die Gyro-Vibrator-Baugruppe nicht mit ihrer Eigenfrequenz betrieben wird, ist die Schaltung, die das Ansteuersignal für den Vibrationsmotor erzeugt, vereinfacht und benötigt keine Rückkoppelschaltung ;

b) im Falle, daß mehrere Gyro-Vibrator-Baugruppen in einer Instrumentenkombination eingesetzt sind, reicht ein gemeinsamer Antrieb für jede Baugruppe.

Damit die bei mehreren Baugruppen evtl. auftretenden Kegelfehler vermieden werden können, wird jede Baugruppe mit unterschiedlicher Frequenz angesteuert, indem die Ansteuersignale in ihrer Frequenz verschoben sind. Trotzdem können die so betriebenen Gyro-Vibrator-Baugruppen in jeweils gleicher Weise aufgebaut sein und dieselbe Eigenfrequenz haben, da sie nicht mit ihrer Eigenfrequenz vibriert werden. Deshalb sind die einzelnen Baugruppen für jede Achse

mit den den anderen Achsen zugeordneten Baugruppen vollständig

austauschbar und die Lagerhaltung nur eines Baugruppentyps nötig.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein typisches Lasergyroskop, das an einem erfindungsgemäßen Vibrationsmotor befestigt ist;

Fig. 2 in Draufsicht einen weiter vergrößerten Ausschnitt des

in Figur 1 dargestellten Vibrationsmotors;

Fig. 3 in Draufsicht eines vergrößerten Ausschnitts des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels des Vibrationsmotors;

Fig. 4 in Aufrißdarstellung das Lasergyroskop und den Vibrationsmotor der Figur 1 mit dem Lasergyroskop in einer schematischen Querschnittsdarstellung, wobei der Aufbau mit niederem Q-Faktor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist;

Fig. 5 graphisch das Lock-In-Phänomen und dessen erfindungsgemäße Lösung;

Fig. 6 graphisch die Koppelbereiche (lock-bands), die bei einem sinusförmig vibrierten Lasergyroskop mit hohem Q-Faktor auftreten;

Fig. 7 graphisch das Integral des Gyroskop-Ausgangsfehlers

einer sinusförmig mit überlagertem statistischen Rauschen angesteuerten Gyro-Vibrator - Baugruppe mit hohem Q-Faktor als Funktion der Zeit;

"ι": Ε=·»·:":·"-:· 34U780

Vw * ν * Ww «ι

-12-

Fig. 8 ein Blockschaltbild der Ansteuerschaltung, die einen Sinusoszillator und einen statistische Rauschfrequenzen erzeugenden Generator aufweist, die mehrere Vibrationsmotoren ansteuert;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer alternativen Ausführungsform, die einen Signalgenerator zur Erzeugung eines statistischen Rauschsignals aufweist;

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Ansteuerschaltung mit einem Pseudorauschgenerator;

Fig. 11 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung für feste Frequenzmodulation.

Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein typisches Ringlasergyroskop 20, das auf einem Vibrationsmotor 22 gemäß der Erfindung befestigt ist. Das Gehäuse oder der Körper 24 des Lasergyroskops 20 hat etwa eine quadratische Form mit abgeschnittenen Kanten, die Spiegelbaugruppen 25 tragen. Die Spiegel reflektiern zwei gegenläufige monochromatische Lichtstrahlen, die auf einem geschlossenen Weg innerhalb des Gyroskopkörpers 24 umlaufen. Der Körper 24 hat im Inneren eine zentral angeordnete zylindrische Öffnung 26, in der der Vibrationsmotor 22 befestigt ist. Die Achse der Öffnung 26 ist die Meßachse des Lasergyroskops, wobei die Drehung um diese Achse erfaßt wird.

Figur 2 zeigt im Grundriß einen Teil der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung, der insbesondere den Vibrationsmotor 22 darstellt. Der Vibrationsmotor 22 enthält eine zentrale Nabe 28, die acht radiale speichenförmige Baugruppen trägt, die an ihren äußeren Enden mit Abschnitten 30 und 32 verbunden sind. Die Abschnitte 30 und 32 haben denselben Aufbau, jedoch sind die Abschnitte 32 mit dem Körper 24 des Laser-

gyroskops 20 verbunden, wohingegen die Abschnitte 30 durch Schrauben 34 an einer darunter befindlichen Montageplatte befestigt sind. Dieser Aufbau ist auch aus Figur 4 ersichtlich, die das Lasergyroskop schematisch im Querschnitt darstellt und einen Aufriß des Vibrationsmotors zeigt. Aus Figur 4 sind die mit der Montageplatte oder der Oberfläche verbundenen Schrauben 34 ersichtlich, die im wesentlichen für alle Lasergyroskop-Ausführungen typisch sind (im allgemeinen werden Lasergyroskope nach unten aufgehängt und der Vibrationsmotor direkt mit dem Fahrzeug verschraubt, das heißt, nicht-kardanisch mit dem Fahrzeug aufgehängt).

An den Abschnitten 30 und 32 sind mittels Schrauben 38 flache Federn 40 befestigt, die von der Nabe 28 radial nach außen ragen. Die zentrale Nabe 28 und die Abschnitte 32 sowie die Federn 40 ragen nur bis auf einen kleinen Abstand an die Befestigungsfläche 36 (siehe Figur 4) und vorzugsweise etwas über die Grundfläche des Lasergyroskops. Figur zeigt, daß die Abschnitte 30 so bemessen und positioniert sind, daß sie einen kleinen radialen Abstand vom Gyroskopkörper haben. Mittels dieser Anordnung bleiben die Abschnitte 30 in Bezug auf die Montagefläche 36 fest, obwohl das Instrument selbst um die Befestigungsachse vibriert.

Die Figuren 2 und 3 zeigen piezoelektrische Kristalle 42 und 44, die mit entgegengesetzten Seiten der Federn 40 vorzugsweise mittels eines leitenden Klebstoffs verbunden sind. Auf diese Weise bilden die Federn 40 eine elektrische Kontaktfläche für jedes piezoelektrische Glied 42 und 44. Die die piezoelektrischen Glieder bildenden Kristalle sind so ausgerichtet, daß sie mit der jeweiligen Feder 40 und der gegenüberliegenden Seitenfläche 46 und 48 elektrischen Kontakt haben. Die piezoelektrischen Glieder sind so aus dem piezoelektrischen Material herausgeschnitte und bezüglich ihrer geometrischen Abmessungen abhängig von der kristallographischen Achse ausgebildet, daß der Kristall auf ein

O' Ü^:f "O^:T 34H780

angelegtes elektrisches Feld die gewünschte Spannung und Durchbiegung besitzt. Bei der vorliegenden Erfindung sind die piezoelektrischen Elemente 42 so ausgerichtet, daß sie durch das elektrische Feld, das zwischen ihren Flächen 46 bzw. 48 und der jeweiligen Feder 40 angelegt wird, in der in Figur 3 dargestellten Weise verbogen werden. Dabei hängen die Richtung und die statische Ablenkung von der Amplitude und Polarität des angelegten elektrischen Feldes ab. Da die Oberflächen 46 bzw. 48 der Kristallglieder 42 und jeweils miteinander durch Leitungsverbindungen 50 parallel geschaltet sind, müssen die piezoelektrischen Glieder 44 in anderer Weise als die Kristallglieder 42 geschnitten sein, da die Deformation der Kristalle 44 zur Deformation der Kristalle 42 entgegengesetzt sein soll, wenn die an die Kristalle 44 angelegte Spannung der an die Kristalle 42 angelegten Spannung entgegengesetzt ist. Durch diese spezielle Kristallausrichtung wird die parallele Ansteuerung der piezoelektrischen Elemente mittels einer einzigen Spannung zwischen der gemeinsamen Verbindung der Leitungen 50 und der Vibrationsmotormasse möglich, so daß die Kristallelemente komplementär erregt werden.

Aus den Figuren 2 und 3 ist ersichtlich, daß die piezoelektrischen Glieder 42 und 44 nicht in der Mitte der Federn angebracht sind, sondern so, daß ihre Seitenflächen an der Nabe 28 anstoßen. Somit werden die von der Nabe 28 radial nach außen ragenden Federn 40 von den piezoelektrischen Elementen längs einer sanften Kurve abhängig von der an den Elementen angelegten Spannung abgebogen. Der Wendepunkt der Federn liegt zwischen den äußeren Kanten der piezoelektrischen Elemente und den benachbarten Gliedern der Abschnitte 30 und 32, so daß die mit den Abschnitten 30 und 32 befestigten äußeren Enden der Federn 40 selbst radial deformiert werden. Wenn man den Vorgang statisch betrachtet, wird bei Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Elemente

durch die Deformation der Federn zwischen den Abschnitten 30 und der Nabe 28 eine geringfügige Drehung der Nabe 28 bei entgegengesetzter Verformung der piezoelektrischen Elemente verursacht und durch die Federn zwischen der Nabe 28 und den Abschnitten 32 eine Rotation des Lasergyroskops, die etwa den doppelten Drehwinkel der Nabe 28 ausmacht, verursacht.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Federkonstante der Federn 40 und der piezoelektrischen Elemente 42 und 44 zusammen mit dem polaren Trägheitsmoment des Lasergyroskops so gewählt, daß die resultierende Eigenfrequenz des Lasergyroskops auf dem Vibrationsmotor zwangsläufig annähernd zwischen 300 bis 500 Hz liegt. Bei einer Vibrationsanregung mittels z.B. 300 Hz-Wechselspannung zwischen der Vibrationsmotormasse und den Leitungen 50 würde das Lasergyroskop mit seiner Eigenfrequenz (man kann offensichtlich die Verformung des Vibrationsmotor erfassen und dieses Signal in das System so zurückkoppeln, daß es mit der Eigenfrequenz des Vibrationsmotor vibriert) vibrieren.

Der oben beschriebene Vibrationsmotor hat wie die im Stand der Technik üblichen Vibrationsmotoren eine kleine Dämpfung. Durch diese kleine Dämpfung hat das Feder-Masse-System einen hohen Q-Faktor der mindestens 100 und tatsächlich 300 oder mehr ist, so daß die Eigenfrequenz des Systems leicht anregbar ist. Dagegen läßt sich das System durch Frequenzen, die nicht in der nähe der Eigenfrequenz des Systems liegen, nicht oder kaum anregen.

Die Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe hat erfindungsgemäß einen kleinen Q-Faktor, so daß die Vibration in einem weiten Freqeuenzbereich anregbar ist. Dabei kann der Q-Faktor um 20 liegen, bevorzugt beträgt er 10 oder weniger. Der niedrige Q-Faktor der Baugruppe wird durch die Dämpfung ihrer Eigenfrequenz erzielt. Diese Dämpfung läßt sich auf verschiedene

Weise erreichen. Ein Weg ist die elektrische Dämpfung. Dazu sind die piezoelektrischen Elemente als Bilateral -Elemente ausgebildet, in denen eine an den Elementen angelegte elektrische Spannung eine mechanische Verformung bewirkt. Umgekehrt erzeugt die mechanische Verformung der Elemente eine elektrische Spannung an ihnen. Somit ergibt sich ein mechanisches System mit niedrigem Q-Faktor, indem parallel zur Vibrationsmotoransteuerung, die mit einer elektronischen Quelle mit einer beträchtlichen Ausgangs impedanz verbunden ist, eine Widerstandslast geschaltet wird. In dem, in Figur 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch eine mechanische Dämpfung verwendet, in dem das Lasergyroskop 20 auf einem Stück aus Elastomermaterial 52, wie zum Beispiel Silikonkautschuk befestigt ist. Das Elastomermaterial 52 ist zwischen den Gyroskopkörper und der darunter befindlichen Befestigungsplatte 36 eingebracht. Das .Elastomermaterial 52 und die Größe des durch die Befestigung des Gyroskopkörpers einwirkenden Drucks werden passend ausgewählt, damit ein gewünschter niedriger Q-Faktor der Baugruppe erreicht wird.

Somit kann die Gyroskop-Vibratot -Baugruppe, da sie einen niedrigen Q-Faktor hat, in einem weiten Frequenzbereich des am Vibrationsmotor 24 über die Leitungen 50 angelegten Ansteuersignals angeregt werden. Dabei kann das Ansteuersignal nur statistisch verteilte Frequenzen oder sowohl statistisch verteilte Frequenzen und eine statistisch verteilte Amplitude (das ist bei einem statistischen Rauschsignal der Fall) haben. Damit wird die der Baugruppe erteilte Vibration frequenzmoduliert, so daß die Lock-In-Rate des Gyroskops als Funktion des Antriebssignals statistisch variiert. Die Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit kleinem Q-Faktor kann auch mit fester Frequenzmodulation vibrieren, wie nachstehend beschrieben wird.

Die Figuren 5, 6 und 7 stellen die Wirkung der der Gyroskop-Vibrator-Baugruppe erteilten frequenzmodulierten Vibration mittels

ΙΟ'ϋτ'Οτ 34Η780

eines sinusförmigen statistisch in Frequenz oder Amplitude modulierten Ansteuersignals im Gegensatz zu der im Stand der Technik, der eine Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit hohem Q-Faktor verwendet, mittels eines sinusförmigen Antriebssignals oder eines sinusförmigen Antriebssignals,dem statistisches Rauschen überlagert wurde, erzeugten Vibration, dar.

Es hat sich herausgestellt, daß eine sinusförmige Körpervibration einer Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit hohem Q-Faktor Nichtlinearitäten im Ausgang des Gyroskops verursacht, wenn die Eingangsrate eine Oberschwingung der sinusförmigen Vibrationsfrequenz ist. Diese Nichtlinearitäten sind in der in Figur 5 enthaltenen Gyroskopeingangs-Zausgangskurve mit dem Bezugszeichen 54 dargestellt. Figur 6 zeigt, daß ein positiver Skalenkonstantenfehler anwächst, so wie sich die Frequenz der Eingangsgröße des Gyroskops einer Oberschwingung der sinusförmigen Vibrationsfrequenz nähert und beim Erreichen der Frequenz der Oberschwingung ein Maximum ergibt. Der Skalenkonstantenfehler dreht sich,nachdem die Frequenz der Eingangsgröße über die Frequenz der Oberschwingung geht, zu einem negativen Fehler um, der von einem Maximum aus wieder abnimmt. Die in Figur 7 mit dem Bezugszeichen 56 bezeichnete Kurve zeigt, daß das Fehlerintegral des Gyroskopausgangssignal über der Zeit akkumuliert.

Die Überlagerung einer sinusförmigen Vibration mit einem statistisch verteilten Rauschen bewirkt in einer Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit hohem Q-Faktor lediglich eine Amplitudenmodulation der Vibrationsbewegung, jedoch keine Frequenzmodulation, da die Baugruppe lediglich auf solche Rauschfrequenz-Komponenten des Antriebssignals anspricht, die in der Nähe der Eigenfrequenz der Baugruppe liegen. Z.B. betrachten wir die Wirkung eines Rauscheingangs mit den Frequenzkomponenten 370 Hz und 374,5 Hz auf eine Baugruppe mit hohem Q-Faktor, die sinusförmig mit ihrer Eigenfrequenz 375 Hz angeregt wird. Die Rauschkomponente der Frequenz 370 Hz

hat keine wesentliche Wirkung bei der Vibration der Gyroskopbaugruppe, da sie zu weit von der Eigenfrequenz der Baugruppe abliegt. Dagegen bildet die 374,5 Hz-Rauschkomponente mit dem sinusförmigen Antriebssignal der Frequenz 375 Hz eine Schwebung, so daß das Gyroskop eine Vibration bei 375 Hz ausführt, deren Amplitude mit der Frequenz 0,5 Hz variiert. Die sinusförmige Vibrationsanregung mit überlagertem statistischen Rauschen läßt die Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit hohem Q-Faktor bei deren Eigenfrequenz vibrieren mit einer durch die Rauschfrequenz modulierten Amplitude. Die aufgrund des überlagerten Rauschens amplitudenmodulierte Vibration verringert leicht die Weite der Nichtlinearitäten 54. Der Lock-In-Effekt tritt jedoch nach wie vor immer dann auf, wenn die Eingangsgröße eine Oberfrequenz der sinusförmigen Vibrationsfrequenz ist, und die Nichtlinearitäten des Gyroskopausgangssignals bleiben, da die Vibrationsbewegung nicht frequenzmoduliert ist. Wie Figur 7 durch das Bezugszeichen 58 zeigt, sind diese Nichtlinearitäten im zeitlichen Mittel nicht Null, weshalb sich nach wie vor kumulative Fehler ergeben.

Dagegen läßt sich die erfindungsgemäße Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit niedrigem Q-Faktor in einem weiten Frequenzbereich anregen, so daß eine sinusförmige Ansteuerung mit überlagerten statistischem Rauschen die dem Gyroskop mitgeteilte Vibrationsbewegung wirksam frequenzmoduliert. Durch die frequenzmodulierte Vibrationsbewegung variiert die Lock-In-Rate des Gyroskops als Funktion des Rauscheingangs und bewegt sich im Frequenzraum vor und zurück, so daß die Nichtlinearitäten des Gyroskopausgangssignals im Mittel Null ergeben. Das Ausgangssignal des Gyroskops erscheint deshalb linear, wie die punktierte Linie 60 in Figur 5 zeigt. Die Fehler oder Nichtlinearitäten des Ausgangssignals sind damit eliminiert.

fVi I-:-':":¹-:' 3AU780 -19-

Die Ansteuersignale für den Vibrationsmotor der Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit niedrigem Q-Faktor können durch eine der in den Figuren 8-11 dargestellten Schaltungen erzeugt werden. Die in Figur 8 gezeigte Schaltung kann einen Sinusoszillator 62 aufweisen, dessen Ausgangssignal einem Summierglied 64 zugeführt wird. Die Frequenz des Oszillators 62 kann von der Eigenfrequenz der Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit niedrigem Q-Faktor abweichen, ist in Frequenz und Amplitude jedoch so gewählt, daß das Gyroskop vibrieren kann. Ein Signalgenerator 66 erzeugt ein Signal mit statistisch verteilten Frequenzen. Der Signalgenerator 66 kann durch einen statischen Rauschgenerator realisiert werden, dessen Ausgangssignal sowohl in Frequenz als auch Amplitude statistisch wechselt. Das Ausgangssignal des Signalgenerators 66 wird über eine Bandpaßfilter 68 dem Summierglied 64 zugeführt, wo es mit dem Ausgang des Oszillators 62 gemischt wird und das Ansteuersignal bildet, das über die Leitung 50 dem Vibrationsmotor 22 anliegt. Die Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe spricht auf einen weiten Frequenzbereich des Antriebssignals auf der Leitung 50 an und erhält eine Vibrationsbewegung, die durch das Antriebssignal frequenzmoduliert ist, so daß die Lock-In-Rate des Gyroskops statistisch variiert.

Die Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe braucht nicht bei ihrer Eigenfrequenz angeregt werden, da sie einen niedrigen Q-Faktor besitzt. Außerdem ist die der Gyroskopbaugruppe mit niedrigem Q-Faktor vermittelte Vibration lediglich vom Vibrationsmotoransteuersignal auf der Leitung 50 bestimmt und von anderen Vibrationsquellen unabhängig. Dieser Vorteil ermöglicht es, mehrere Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppen mit kleinem Q-Faktor zu einem Instrumentenbündel zusammenzufassen und sie als offenen Kreis mittels einer gemeinsamen Quelle zu betreiben. Dies zeigt Figur 8, wo das Ansteuersignal auf der Leitung 50 mehreren Vibrationsmotoren 22, 22a und 22b der Baugruppen mit niedrigem Q-Faktor, die ein Instrumcntenbündel bilden,zugeführt wird.

LO'Ü^:tO^:1" 34H780

Jede der den Motoren 22, 22a und 22b zugeordneten Baugruppen mit kleinem Q-Faktor kann auf verschiedenen rechtwinklig zueinander liegenden Achsen, wie die X, Y und Z-Achsen ausgerichtet werden und die Drehung um diese Achsen erfassen. Die Kegelfehler werden durch eine Frequenzverschiebung des Ansteuersignals auf der Leitung 50, bevor dieses den Vibrationsmotoren 22a und 22b zugeführt wird, vermieden, so daß jedes der Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppen des Instrumentenbündels mit einer unterschiedlichen Frequenz angeregt wird. Das Anregungssignal auf der Leitung SO wird von einem Frequenzschieber 69 um 10 Hz nach oben geschoben, und dessen Ausgangssignal dem Vibrationssignal 22a zugeführt. Das Ansteuersignal wird durch einen Frequenzschieber 70 um 10 Hz nach unten verschoben und dem Vibrationsmotor 22b zugeführt. Die Struktur jedes Vibrationsmotois 22, 22a und 22b und ihrer zugeordneten Gyroskope ist dieselbe wie sie in Figur 4 dargestellt ist, wobei jede Baugruppe eine Baugruppe mit kleinem Q-Faktor darstellt. Weil die Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit niedrigem Q-Faktor innerhalb des Instrumentenbündels nicht mit ihrer Eigenfrequenz betrieben werden muß, können Baugruppen mit identischem Aufbau und derselben Eigenfrequenz für jede Achse verwendet werden obwohl die Baugruppen mit verschiedenen Frequenzen angeregt werden. Die Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit niedrigem Q-Faktor ist mit den Baugruppen der anderen Achsen austauschbar, so daß nur ein Baugruppentyp gelagert werden muß.

Figur 9 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiels der Ansteuerschaltung, in dem der Oszillator 62 und das Summierglied 64 fehlen. Herkömmliche Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppen mit hohem Q-Faktor benötigen einen Sinusoszillator, weil die Rauschfrequenzkomponenten in dem sehr schmalen Ansprechband unter Umständen keine genügend große Amplitude zur Anregung haben, weshalb sehr große Lock-In-Fehler entstehen, falls die verhältnimäßig große Sinusansteuerung wegfällt. Aufgrund des relativ breiten Ansprechbandes der Gyroskop-Vibrationsmotor-

Baugruppe gemäß der Erfindung ist das Auftreten von zu kleinen Rauschamplituden im ganzen Ansprechband sehr unwahrscheinlich, da es sehr unwahrscheinlich ist, daß alle Rauschfrequenzkomponenten im gesamten Ansprechband der Baugruppe gleichzeitig mit kleiner Amplitude erzeugt werden. Um jedoch auch diese Möglichkeit auszuschließen, kann die Schaltung gemäß Figur 9 in der in Figur 10 gezeigten Weise abgeändert werden.

In Figur 10 ist statt des statistischen Rauschgenerators ein Pseudo zufallsgenerator 72 eingesetzt, der das Ansteuersignal über Leitungen 50 der Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit niedrigem Q-Faktor zuführt. Der Pseudo zufallsgenerator kann einen Computer oder Mikroprozessor enthalten, der mittels bekannter Algorithmen programmgesteuert ein Ausgangssignal liefert, das über eine kurze Zeitdauer statistisch verteilt ist, jedoch unter Umständen dieselbe Pseudo-Zufallssequenz wiederholt. Dabei können die gesamten Frequenz-Zeitcharakteristiken des Generators 72 so gewählt werden, daß jede ungewünschte momentane Null-Situation, wie sie in einer echten Zufallsfolge auftreten können, vermieden ist.

Die Gyroskop-Vibrationsmotor-Baugruppe mit niedrigem Q-Faktor kann auch, wie Figur 11 zeigt, mittels einer festen Frequenzmodulation zur Vibration angeregt werden. Die Ansteuerschaltung enthält einen Oszillator 74, dessen Ausgang mittels eines Summierglieds mit dem Ausgang eines Periodizitätssignalgenerators kombiniert wird. Das Summierglied 76 gibt das Ansteuersignal an die Vibrationsmotoren über die Leitungen 50. Die Frequenz des Periodizitäts-Signals des Generators ist unterschiedlich von der Frequenz des Sinusoszillator-Ausgangssignals, so daß das resultierende Ansteuersignal die der Gyroskop-Baugruppe mit niedrigem Q-Faktor vermittelte Vibrationsbewegung frequenzmoduliert.

Claims (16)

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung einer Körpervibration für ein Lasergyroskop mit

zwei sich entgegengesetzt auf einem in sich geschlossenen Weg ausbreitenden monochromatisch erzeugten Lichtstrahlen, durch deren Frequenzunterschied eine Drehung des Gyroskops erfaßt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Gyroskopkörper einen niedrigen Gütefaktor (Q-Faktor) aufweist und folgende Schritte ausgeführt werden:

a) Erzeugung einer Vibration des Gyroskopkörpers mit kleinem Q-Faktor, und

b) Frequenzmodulation der dem Gyroskopkörper vermittelten Vibrationsbewegung, um Fehler des Ausgangssignals des Gyroskops, die durch einen Lock-In-Effekt der Strahlen bewirkt sind, zu eliminieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Q-Faktor 20 oder weniger beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

572-B01633A/AtAl

• U ♦ I« ·**»·*■ V O * · W «ι

—2—
daß der Q-Faktor 10 oder weniger beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der kleine Q-Faktor durch Dämpfung der Eigenfrequenz des Gyroskops erreicht wird.

5. Vorrichtung zur Erzeugung einer Körpervibration für ein Lasergyroskop mit

zwei sich entgegengesetzt auf einer geschlossenen Strecke ausbreitende monochromatisch erzeugte Lichtstrahlen, deren Frequenzunterschied ein Maß für die Drehung des Gyroskops ist,

gekennzeichnet durch mindestens eine Lasergyroskopeinheit,

eine mit der Gyroskopeinheit gekoppelte Einrichtung (22), die der Gyroskopeinheit eine Vibrationsbewegung mitteilt, wobei die Gyroskopeinheit und die Vibrationseinrichtung (22) eine gemeinsame Baugruppe mit niedrigem Gütefaktor (Q-Faktor) bilden, und

eine Einrichtung (64, 66, 68; 72; 74, 76, 78), die die Vibration der Baugruppe frequenzmoduliert, um Fehler des Ausgangssignals der Gyroskopeinheit, die durch Lock-In-Effekte der Lichtstrahlen bewirkt sind, zu vermeiden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Q-Faktor der Baugruppe etwa 20 oder weniger beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Q-Faktor der Baugruppe etwa 10 oder weniger beträgt.

.:Λ.^{: :}..^:*Τ ^:..^:'Τ 34Η780

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Eigenfrequenz der Baugruppe zur Erzielung des kleinen Q-Faktors gedämpft ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die frequenzmodulierende Einrichtung einen Generator (66) aufweist, der ein Ansteuersignal erzeugt, dessen Frequenz statistisch variiert, das der Vibrationseinrichtung (22) zugeführt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Ansteuersignals statistisch variiert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung aufweist:

eine Einrichtung (74), die eine Sinusschwingung erzeugt,

eine Einrichtung (78), die ein periodisches Signal erzeugt, dessen Frequenz von der Frequenz der Sinusschwingung differiert und

eine Einrichtung (76), die die Sinusschwingung und das periodische Signal zum Ansteuersignal kombiniert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Modulationseinrichtung einen Pseudo-Zufallsgenerator (72) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch eine Dämpfungseinrichtung (52).

14. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vibrationseinrichtung auf einer Halterung unterhalb des Gyroskopkörpers befestigt ist und die Dämpfungseinrichtung (52) einen Körper aus Elastomermaterial zwischen dem Gyroskopkörper und der Halterung aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 5-14, dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere Gyroskopeinheiten, die entlang verschiedenen Achsen ausgerichtet sind, zusammengefaßt sind,

daß mehrere Vibrationseinrichtungen vorgesehen sind, die jeweils mit einer Gyroskopeinheit gekoppelt sind und mit diesem eine Baugruppe mit kleinem Q-Faktor bilden und

daß die Ansteuereinrichtung mehrere Ansteuersignale für die Vibrationseinrichtungen erzeugen, wobei die Frequenzen der Ansteuersignale gegeneinander verschoben sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppen dieselbe Eigenfrequenz besitzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppen denselben Aufbau haben.

.:Λ.^{: :}..^:*Τ ^:..^:"Τ 34Η780

8. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

daß sich die Frequenzen der Ansteuersignale um mindestens 10 Hz unterscheiden.