DE3939904A1 - Ringlaserkreisel - Google Patents

Description

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

Bei Ringlaserkreiseln nach dem Stand der Technik werden die auf einem Auskop­ pelprisma aus den beiden gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen erzeugten Interfe­ renzstreifenmuster von z. B. zwei direkt auf dem Auskoppelprisma angeordneten Fo­ todioden 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 Aus­ koppelprisma durchlaufenden Interferenzstreifenmuster entspricht dabei der Dreh­ richtung, 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 angege­ benen Merkmale gelöst.

Bei den 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 Dreh­ winkels mit herangezogen.

Dazu werden die zum Zeitpunkt der Beendigung der Zeit T vorhandenen Amplituden wenigstens eines der beiden Meßsignale gemessen und daraus der zusätzlich zu den Nulldurchgängen der bei Beendigung der Zeit T vorhandene Drehwinkel be­ stimmt. 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 Meß­ signale, 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 Dreh­ winkels herangezogene Meßsignal normiert, d. h. daß die Amplitude des Meß­ signals 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:

I:
A≦λτ0 B≦λτ0 ⇒ α = arc sin A
II:	A≦λτ0 B≦ωτ0 ⇒ α = 180° - arc sin A
III:	A≦ωτ0 B≦ωτ0 ⇒ α = 180° + arc sin A
IV:	A≦ωτ0 B≦λτ0 ⇒ α = 360° - arc sin A

und bei einer negativen Drehrichtung des Kreisels:

I:
A≦λτ0 B≦ωτ0 ⇒ α = - arc sin A
II:	A≦λτ0 B≦λτ0 ⇒ α = 180° - arc sin A
III:	A≦ωτ0 B≦λτ0 ⇒ α = 180° + arc sin A
IV:	A≦ωτ0 B≦ωτ0 ⇒ α = 360° - arc sin A

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 α, in­ dem 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 heran­ gezogenen Meßsignals.

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

I:
A≦λτ0 B≦λτ0 B≦λτA ⇒ α = arctan A/B
II:	A≦λτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = (90° - arctan B/A)
III:	A≦λτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = (90° + arctan B/A)
IV:	A≦λτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = (180° - arctan A/B)
V:	A≦ωτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = (180° + arctan A/B)
VI:	A≦ωτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = (270° - arctan B/A)
VII:	A≦ωτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = (270° + arctan B/A)
VIII:	A≦ωτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = (360° - arctan A/B)

und bei einer negativen Drehrichtung des Kreisels:

I:
A≦λτ0 B≦ωτ0 B≦λτA ⇒ α = - arctan A/B
II:	A≦λτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = - (90° - arctan B/A)
III:	A≦λτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = - (90° + arctan B/A)
IV:	A≦λτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = - (180° - arctan A/B)
V:	A≦ωτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = - (180° + arctan A/B)
VI:	A≦ωτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = - (270° - arctan B/A)
VII:	A≦ωτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = - (270° + arctan B/A)
VIII:	A≦ωτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = - (360° - arctan A/B)

Der Rechner bestimmt den zusätzlichen Drehwinkel 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 nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

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 um­ laufenden Lichtstrahlen, die Lichtstrahlen 4, 13, die Spiegel 5, 15, den teil­ durchlässigen Spiegel 9, das Piezoelement 6 zur Regelung der Lichtstrahlpfad­ länge, 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 Meßsiganel 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 Dreh­ richtung 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 Meß­ signals gezählt und zusätzlich die Amplitude eines Meßsignals A oder B zur Bestimmung des zusätzlichen Drehwinkels α herangezogen. Werden beispiels­ weise die Nulldurchgänge des Meßsignals A ausgezählt, so bezieht sich die ganze nachfolgende Berechnung des zusätzlichen Drehwinkels α auf das Meß­ signal A (siehe Tab. 1 und 2).

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Auswerteschaltung in einer prinzipiellen Dar­ stellung.

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

Das Meßsignal der anderen Fotodiode 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 sepa­ raten 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 Fig. 5 und 6 zeigen die Meßsignale der beiden auf dem Auskoppelprisma 10 angeordneten Fotodioden 11 bei positiver (Fig. 5) und negativer Dreh­ richtung (Fig. 6) einer Weiterbildung.

Der Signalverlauf der Meßsignale A und B sowie das Koordinatensystem entsprechen den Fig. 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 Auswerteschaltung 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 Meß­ signale 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 Momentan­ werte 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 Phasen­ korrekturschaltung 21 abgenommen wird. Die Schmitt-Trigger 30 dienen zur Recht­ eckformung der beiden Meßsignale A, B. Eine Richtungserkennung 28 bestimmt die Drehrichtung des Kreisels aus dem 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, 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 Gesamt­ drehwinkel 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-Schaltung
19 Speicher
20 A/D-Wandler
21 Phasenkorrekturschaltung
22 Sample and Hold-Schaltung
23 Multiplexer
24 A/D-Wandler
25 Rechner
26 Speicher
27 Zähler
28 Richtungserkennung
29 Speicher
30 Schmitt-Trigger

Claims (10)

1. Ringlaserkreisel, bei dem aus den beiden gegensinnig umlaufenden Licht­ strahlen 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 Meß­ signale innerhalb der vorgegebenen Zeit T, zugeführt werden, dadurch ge­ kennzeichnet, 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 heran­ gezogen wird, wobei sich die Drehrate aus dem ermittelten Drehwinkel α und der Meßzeit T ergibt.

2. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aus­ nutzung 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 Momentanwert 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 Dreh­ winkel 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 zusätz­ liche positive Drehwinkel α durch Anwendung einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird: I: A≦λτ0 B≦λτ0 ⇒ α = arc sin A II: A≦λτ0 B≦ωτ0 ⇒ α = 180° - arc sin A III: A≦ωτ0 B≦ωτ0 ⇒ α = 180° + arc sin A IV: A≦ωτ0 B≦λτ0 ⇒ α = 360° - arc sin A wobei A und B die Meßsignale (A, B) darstellen.

8. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätz­ liche negative Drehwinkel α durch Anwendung einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird: I: A≦λτ0 B≦ωτ0 ⇒ α = - arc sin A II: A≦λτ0 B≦λτ0 ⇒ α = 180° - arc sin A III: A≦ωτ0 B≦λτ0 ⇒ α = 180° + arc sin A IV: A≦ωτ0 B≦ωτ0 ⇒ α = 360° - arc sin A wobei A und B die Meßsignale (A, B) darstellen.

9. Ringlaserkreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätz­ liche positive Drehwinkel α durch Anwendung einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird: I: A≦λτ0 B≦λτ0 B≦λτA ⇒ α = arctan A/B II: A≦λτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = (90° - arctan B/A) III: A≦λτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = (90° + arctan B/A) IV: A≦λτ0 B≦ωτ0 B≦λτA ⇒ α = (180° - arctan A/B) V: A≦ωτ0 B≦ωτ0 B≦λτA ⇒ α = (180° + arctan A/B) VI: A≦ωτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = (270° - arctan B/A) VII: A≦ωτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = (270° + arctan B/A) VIII: A≦ωτ0 B≦λτ0 B≦λτA ⇒ α = (360° - arctan A/B) wobei A und B die Meßsignale (A, B) darstellen.

10. Ringlaserkreisel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätz­ liche negative Drehwinkel α durch Anwendung einer der folgenden Gleichungen bestimmt wird: I: A≦λτ0 B≦ωτ0 B≦λτA ⇒ α = - arctan A/B II: A≦λτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = - (90° - arctan B/A) III: A≦λτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = - (90° + arctan B/A) IV: A≦λτ0 B≦λτ0 B≦λτA ⇒ α = - (180° - arctan A/B) V: A≦ωτ0 B≦λτ0 B≦λτA ⇒ α = - (180° + arctan A/B) VI: A≦ωτ0 B≦λτ0 A≦λτB ⇒ α = - (270° - arctan B/A) VII: A≦ωτ0 B≦ωτ0 A≦λτB ⇒ α = - (270° + arctan B/A) VIII: A≦ωτ0 B≦ωτ0 B≦λτA ⇒ α = - (360° - arctan A/B) wobei A und B die Meßsignale (A, B) darstellen.