DE19526953A1 - Gyrosensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gyrosensor.

Dieser ist einsetzbar in der Robotik, in der Chassis-Lageregelung von Fahrzeugen, in der Navigation oder in der Bildstabilisierung bei CCD-Kameras. Grundsätzlich ist der Sensor überall dort einsetzbar, wo die Erfassung von Drehge­ schwindigkeiten und/oder Drehgeschwindigkeitsänderungen not­ wendig ist.

Die zur Messung von Drehgeschwindigkeiten und zur Navigation verwendeten mechanischen Kreiselsysteme, deren Kreiselmassen kardanisch aufgehängt sind, arbeiten nach dem Prinzip der Drehimpulserhaltung. Aus der Orientierung der Kreiselmassen in Bezug auf den kardanischen Käfig kann die Drehgeschwindig­ keit und Lage des Systems ermittelt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gyrosensor anzugeben, bei dem Störungen die Meßgenauigkeit nicht beeinflussen.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Sofern Pyroeffekte vernachlässigbar sind, und eine Erhöhung der Meßempfindlichkeit nicht notwendig ist, genügt es, gemäß Patentanspruch 4 pro Lager einen einzigen Sensor einzusetzen.

Dadurch kann der Montageaufwand reduziert und die Auswer­ teelektronik vereinfacht werden.

Um translatorische Bewegungen, die Störungen darstellen; zu kompensieren, ist es vorteilhaft den Gyrosensor gemäß Patent­ anspruch 5 mit vier Kraft- oder Dehnungssensoren einzusetzen. Zusätzlich ist hier eine Drehrichtungserkennung möglich.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Gyrosensors.

Fig. 2 zeigt ein Zeit-Spannungs-Diagramm zur Veranschauli­ chung des vom Gyrosensor stammenden Meßsignals.

Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Gyrosensors mit zwei Kraftsensoren.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Gyrosensors mit vier Kraftsensoren.

Fig. 5 zeigt ein Zeit-Spannungs-Diagramm des vom Gyrosensor, gemäß Fig. 3 oder 4, stammenden Meßsignals.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des Gyrosensors, im nachfolgenden auch als Drehgeschwindigkeitssensor bezeichnet, gezeigt. In einer rahmenartigen Halterung H, welche mög­ lichst steif sein sollte, um Störeinflüsse zu unterdrücken, sind vier Piezoelemente P1 bis P4 vorgesehen. Zwischen den Piezoelementen P1 und P2 ist ein erstes Lager L1 und zwischen den Piezoelementen P3 und P4 ein zweites Lager L2 angeordnet.

Die beiden Lager L1 und L2 dienen zur Aufnahme einer Kreisel­ achse KA, an welcher eine Kreiselmasse KM befestigt ist. Die Kreiselmasse KM ist um die Kreiselachse KA ungleichmäßig ver­ teilt. Der Schwerpunkt der Kreiselmasse KM liegt in der Krei­ selachse KA. Dreht sich die Kreiselachse KA zusammen mit der Kreiselmasse KM mit der Winkelgeschwindigkeit ω, im nachfol­ genden auch als Kreiselfrequenz bezeichnet, und tritt eine Rotation der gesamten Vorrichtung um die y-Achse mit der Win­ kelgeschwindigkeit Ω, so treten an den Lagern L1 und L2 die Kräfte F_y bzw. F_y′ auf.

Wenn im folgenden von der Rotation der Halterung H um die y-Achse die Rede ist, so ist damit die Rotation der gesamten Vorrichtung gemeint.

Die Kraft F_y ist über die Piezoelemente P1 und P2, die Kraft F_y′ über die Piezoelemente P3 und P4 meßbar. Aufgrund der um die Kreiselachse KA ungleichmäßig verteilten Kreiselmasse KM ergeben sich an den Anschlüssen der Piezoelemente P1 bis P4 bei Auftreten der Kräfte F_y und F_y′ amplitudenmodulierte Spannungen U₁ und U₂.

Diese Spannungen U₁ und U₂ sind in Fig. 2 in einem Zeit- Spannungs-Diagramm dargestellt. Da die Kreiselmasse KM zwei Einzelmassen aufweist, deren Gesamtschwerpunkt in der Kreisel­ achse KA liegt, ergeben sich sinusförmige Spannungen U₁ und U₂. Die Amplituden der Spannungen U₁ und U₂ sind ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit Ω der Halterung H um die y-Achse. Sind die Winkelgeschwindigkeit Ω um die y-Achse und die Kreiselfrequenz ω um die x-Achse konstant, so ergibt sich das in Fig. 2 links gezeigte Spannungsbild. Tritt eine reine Be­ schleunigung in y-Richtung auf, so führt dies zu einer Ver­ schiebung der Spannungen U₁ und U₂, was in Fig. 2 rechts gezeigt ist. In Fig. 2 Mitte ist der Verlauf der Beschleuni­ gung in y-Richtung gezeigt. Bis zum Zeitpunkt t₁ findet eine konstante Beschleunigung statt. Zwischen dem Zeitpunkt t₁ und t₂ nimmt die Beschleunigung bis auf Null ab. Vom Zeitpunkt t₂ an erfolgt die Beschleunigung in die entgegengesetzte Rich­ tung. Zu diesem Beschleunigungsverlauf resultierende amplitu­ denmodulierte Spannungen U₁ und U₂ sind in Fig. 2 rechts gezeigt. Beschleunigungen in x-Richtung werden nicht detek­ tiert.

Somit läßt sich feststellen, daß Beschleunigungen in y-Richtung zu einer offsetartigen Verschiebung der Spannungen U₁ und U₂ führen, wohingegen Drehungen der gesamten Vorrich­ tung um die y-Achse mit der Winkelgeschwindigkeit Ω eine Amplitudenmodulation der Spannungen U₁ und U₂ hervorrufen.

Vorteilhafterweise sind die Piezoelemente P1 und P2 sowie die Piezoelemente P3 und P4, wie in Fig. 1 gezeigt, polarisiert, was durch die Pfeile POL angedeutet ist. Die dort gezeigte serielle Verschaltung der kraftaufnehmenden Piezoelemente P1 und P2 sowie P3 und P4 hat den Vorteil, daß Temperaturschwan­ kungen sowie translatorische Beschleunigungen in y-Richtung keinen Einfluß auf die Messung rotatorischer Bewegungen um die y-Achse haben.

Die Halterung H sollte mit dem Meßobjekt, beispielsweise ei­ nem Kraftfahrzeug, dessen Drehbewegung zu ermitteln ist, fest verbunden sein. Dies kann beispielsweise durch eine Ver­ schraubung der Halterung H mit dem Meßobjekt geschehen. Dazu können die Montagelöcher ML, die in der Halterung H vorgese­ hen sein können, verwendet werden.

Sofern Pyroeffekte keine Rolle spielen und die Erhöhung der Meßempfindlichkeit nicht notwendig ist, genügt es, eines der beiden Lager L1 oder L2 mit einem einzigen Kraftsensor zu koppeln.

In Fig. 3 wurde lediglich das Lager L1 mit zwei Piezoelemen­ ten P1 und P2 gekoppelt. Bei der gemäß Fig. 3 gezeigten Po­ larisation der Piezoelemente P1 und P2, welche durch die Pfeile POL angedeutet ist und die serielle Verschaltung der Piezoelemente P1 und P2 ist eine Temperaturkompensation und eine Verdoppelung des Meßeffekts möglich. In Fig. 3 wird nur mehr die Kraft F_y detektiert.

Die Lage der Kreiselmasse KM bezogen auf die x-Achse beein­ flußt das Verhältnis der Kräfte F_y zu F_y′.

Der in Fig. 4 gezeigte Gyrosensor unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Gyrosensor durch die Verschaltung der Piezoelemente P1 bis P4. Alle vier Piezoelemente P1 bis P4 sind seriell miteinander verbunden. Die erhaltene Spannung U ist von Pyroeffekten und durch translatorische Bewegungen oder Gravitationskräfte hervorgerufene Störungen befreit.

Der Verlauf der Spannung U des in Fig. 4 dargestellten Gyro­ sensors ist in Fig. 5 gezeigt. Bis zum Zeitpunkt t sei die Winkelgeschwindigkeit Ω um die y-Achse konstant. Demzufolge ergibt sich der in Fig. 5 oben links gezeigte Spannungsver­ lauf bis zum Zeitpunkt t₁. Die Amplitude des amplitudenmodu­ lierten Signals bleibt konstant. In Fig. 5 ist unten der Spannungsmittelwert U der Spannung U aufgetragen. Zum Zeit­ punkt t₁ nimmt die Winkelgeschwindigkeit Ω um die y-Achse li­ near ab, bis sie zum Zeitpunkt t₂ den Wert Null erreicht. Es ist zu erkennen, daß während dieser Zeitdauer die Amplitude der Spannung U und auch der Mittelwert U linear abnimmt. Zum Zeitpunkt t₂ findet ein Drehrichtungswechsel statt. Die Win­ kelgeschwindigkeit Ω um die y-Achse nimmt bis zum Zeitpunkt t₃ linear zu. Eine Zunahme der Amplitude der Spannung U als auch des Spannungsmittelwerts U ist erkennbar. Vom Zeitpunkt t₃ an bleibt die Winkelgeschwindigkeit Ω um die y-Achse kon­ stant. Daraufhin bleibt auch die Amplitude der Spannung U und der Spannungsmittelwert U konstant.

Zu der Detektion der Lagerkräfte F_y und F_y′ eignen sich be­ vorzugt piezoelektrische Sensoren. Aber auch Dehnungssensoren in Form von Dehnungsmeßstreifen oder Oberflächenwellenbauele­ menten sind zu der Detektion der Lagerkräfte F_y und F_y′ ge­ eignet. Die Halterung H ist auf die jeweilige Erfassungsart abzustimmen.

Um Eigenbewegungen und Verformungen der Halterung H zu ver­ hindern, kann diese fest mit einer Trägerplatte verbunden werden.

Bei der Verteilung der Einzelmassen, die Bestandteile der Kreiselmasse KM sind, sollte darauf geachtet werden, daß der Kreisel bezüglich der Kreiselachse KE ausgewuchtet ist, so daß bei rotierender Kreiselmasse KM und ruhender Halterung H au­ ßer den durch das Eigengewicht der Kreiselmasse KM und der Kreiselachse KA hervorgerufenen Kräften keine weiteren Lager­ kräfte wirken.

Die Anzahl der Einzelmassen der Kreiselmasse KM ist an die zu erwartenden oder auftretenden Störungen anzupassen. Grund­ sätzlich ist zu bemerken, das die Meßempfindlichkeit mit der Zunahme der Anzahl der Einzelmassen abnimmt.

Bei dem mit der Kreiselfrequenz ω um die x-Achse rotierenden Doppelmassensystem, wie in den Fig. 1, 3 und 4 darge­ stellt, wirken bei einer Drehung der Halterung H die y-Achse mit der Winkelgeschwindigkeit Ω keine gleichförmigen, son­ dern mit der Kreiselfrequenz ω modulierte und zur Winkelge­ schwindigkeit n der Halterung H um die y-Achse, dem Träg­ heitsmoment der Kreiselmasse KM bezüglich der Kreiselachse KA und der Kreiselfrequenz (o proportionalen Coriolis-Massenkräfte F_y und F_y′. Bei einer konstanten Kreiselfrequenz ω ist die Amplitude der Lagerkräfte F_y, F_y′ zur momentanen Winkelgeschwindigkeit ω der Halterung H um die y-Achse di­ rekt proportional.

In Bezug auf die Meßgenauigkeit und die elektronische Meßsi­ gnalverarbeitung ergeben sich durch das amplitudenmodulierte Meßsignal der Kreiselfrequenz ω erhebliche Vorteile, da tief- oder hochfrequente Störeinflüsse durch einfache Frequenzfil­ terung beispielsweise mittels eines Bandpasses mit der Krei­ selfrequenz ω als Transitfrequenz, unterdrückt werden können. Insbesondere können die periodischen Coriolis-Lagerkräfte F_y, F_y′ sehr genau mit den piezoelektrischen Sensoren P1 bis P4 gemessen werden, wobei das Sensorsignal durch die Wechsels­ pannung von störenden Pyroeffekten befreit ist. Die Winkelge­ schwindigkeit ω der Halterung H um die y-Achse kann aus der Wechselspannungsamplitude oder deren Mittelwert U des Piezo­ sensors oder der Piezosensoren abgeleitet werden. Die Dreh­ richtung ergibt sich aus der Phasenlage oder der Polarität des Sensorsignals. Zur Signalverarbeitung sind phasensensiti­ ve Wechselspannungsmeßtechniken, z. B. Lock-in-Meßtechniken besonders gut geeignet.

Ein besonders hoher Fremdspannungsabstand des Meßsignals kann erreicht werden, wenn für die piezoelektrischen Sensoren eine Anordnung gemäß den Fig. 1, 3 oder 4 gewählt wird. Durch die dargestellten Anordnungen und die elektrischen Verschal­ tungen der einzelnen piezoelektrischen Detektoren P1 bis P4 werden in erster Linie Störeinflüsse durch Pyroeffekte oder durch Kräfte, die auf das erste und zweite Lager L1 und L2 gleichsinnig wirken, z. B. durch translatorische Beschleuni­ gungen, kompensiert.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist es bei einem Kreisel mit un­ gleichmäßig verteilter Massenanordnung prinzipiell ausrei­ chend, entweder die Lagerkraft F_y oder die Lagerkraft F_y′ am Lager L1 bzw. L2 zu messen. Die dargestellte Anordnung mit zwei identischen piezoelektrischen Sensoren P1 und P2 zeich­ net sich durch eine niedrige Temperaturabhängigkeit des Meß­ signals aus, da sich pyroelektrische Effekte weitgehend ge­ genseitig kompensieren. Eine translatorische Beschleunigung in y-Richtung führt zu einem Gleichspannungsoffset-Signal.

Eine zusätzlich sehr hohe Unempfindlichkeit gegenüber solchen translatorischen Kräften weist der Aufbau gemäß Fig. 4 auf. Es sollten vier möglichst identische Piezosensoren P1 bis P4 verwendet werden.

Die in den Fig. 1, 3 und 4 gezeigten Möglichkeiten der elektrischen Verschaltung und der Orientierung der Polarisa­ tionsrichtung POL stehen dabei nur exemplarisch für weitere denkbare Anordnungen und Verschaltungen der Piezosensoren.

Auch brauchen zur Messung der Lagerkräfte F_y, und F_y′ nicht notwendigerweise jeweils zwei piezoelektrische Detektoren verwendet werden.

Zum Antrieb der Kreiselachse KA und der Kreiselmasse KM kann die Kreiselachse KA durch das erste oder zweite Lager hin­ durch verlängert und mit einem drehzahlgeregelten Antrieb, beispielsweise einem Motor verbunden werden. Besonders kom­ pakte Bauformen lassen sich mit Elektromotoren erzielen. In diesem Fall kann die Halterung H des Gyrosensors Bestandteil des Motorgehäuses sein, wobei die Kreiselmasse KM und der Läufer des Motors zumindest zum Teil identisch und zwischen den beiden Lagern L1 und L2 angeordnet sind. Der Kreisel kann auch pneumatisch oder durch Druckflüssigkeiten angetrieben werden. Dies ist unter Umständen bei Systemen, die derartige Medien zu anderen Zwecken bereits zur Verfügung stellen, (z. B. Druckluftbremse) vorteilhaft.

Durch die Einsparung aufwendiger kardanischer Aufhängungen, elektromechanischer Nachführsysteme und elektronischer Aus­ werte- und Lageregelungsschaltungen ist auf diese Art ein sehr kompakter, robuster und kostengünstiger Gyrosensor rea­ lisierbar.

Claims (7)

1. Gyrosensor,

• - bei dem eine Kreiselachse (KA) vorgesehen ist,
• - bei dem eine ungleichmäßig verteilte Kreiselmasse (KM) mit Schwerpunkt in der Kreiselachse (KA) vorgesehen ist,
• - bei dem die Kreiselachse (KA) in einem ersten und einem zweiten Lager (L1, L2) gelagert ist,
• - bei dem wenigstens eines der Lager (L1, L2) mit wenigstens einem Kraft- oder Dehnungssensor verbunden ist,
• - bei dem der Kraft- oder Dehnungssensor mit einer Halterung (H) verbunden ist.

2. Gyrosensor nach Anspruch 1, bei dem die Kreiselmasse (KM) auf einem zur Kreiselachse (KA) konzentrischen Kreis verteilt ist.

3. Gyrosensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kreiselmasse (KM) die Form einer Doppelkeule auf­ weist.

4. Gyrosensor nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem jedes Lager (L1, L2) einen Kraft- oder Dehnungssensor aufweist.

5. Gyrosensor nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem jedes Lager (L1, L2) zwei Kraft- oder Dehnungssenso­ ren aufweist.

6. Gyrosensor nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem der Kraftsensor ein Piezoelement (P1-P4) aufweist.

7. Gyrosensor nach einem der Ansprüche 1-5, bei dem der Dehnungssensor ein Oberflächenwellenbauelement oder einen Dehnungsmeßstreifen aufweist.