确定轴对称振动传感器的旋转速度的方法以及实现该方法的惯性设备

摘要

本发明涉及一种确定轴对称振动传感器(7)的旋转速度的方法，所述传感器(7)包括与控制电极(4)和检测电极(5)关联的振动件(1)以产生具有大约为n的周期性的形变且具有基于传感器旋转的可变位置(Θ)的振动，所述方法的特征在于包括以下步骤：接连地评估所述振动相对于所述电极的至少2N+1个位置的旋转速度的评价，所述位置相对于彼此几何偏移，并且使用预设的比例因子通过应用进动控制来将振动从一个位置移到另一个位置；从2N+1个评估中识别秩最高达N的至少一个谐波漂移；以及从已减去所识别出的谐波漂移的至少一个评估确定旋转速度。

说明书

本发明涉及一种确定轴对称传感器的旋转速度的方法，以及包括轴对称振 动传感器的相应的惯性设备。本发明尤其涉及在振动的位置上呈现谐波地取 决于所述振动相对于该设施的外壳的位置的角度漂移的传感器。

发明背景

为了确定载体的方位，尤其是为了对飞机进行导航，已知可使用具有一个 或更多个轴对称振动传感器的惯性设备，每个轴对称振动传感器利用具有阶数 等于或大于四的对称性并能实现两个相同和正交的退化振动模式的谐振器，其 呈现相对于对称轴具有n阶周期性的形变，即，具有n倍于与围绕对称轴公转 一周相同的振动模式的形变。尤其地，已知使用2阶的传感器，诸如，包括适 宜数目的电极的半球钟形振动传感器，或者诸如其中两种模式中的振动方位不 几何正交但模态正交(即，它们模态上偏移)的quapason振动陀螺仪。

还已知轴对称振动传感器适宜用于自由陀螺仪模式或速率陀螺仪模式。 在自由陀螺仪模式中，振动被保持，但让其位置自由；当载体的方位改变时， 振动相对于基座的位置即代表载体已转过的角度。

在速率陀螺仪模式中，振动被保持并且其相对于其基座的位置通过应用适 宜的电子控制信号而保持驻定；因此这些控制信号的值即表示载体在惯性空间 中的旋转速度。

还已知当振动陀螺仪在自由陀螺仪模式中操作时，该陀螺仪呈现引起振动 位置上的变化的漂移误差，即使当该载体不受任何旋转作用时亦是如此。该漂 移包括两个分量，一常数分量和一交变漂移分量，其中常数分量对于半球谐振 陀螺仪是每小时百分之几度的数量级，而交变漂移分量由谐波组成，主要由与 振动传感器具有相同阶数n的谐波以及该振动传感器的阶数两倍的谐波组成， 这取决于振动的位置。使用半球谐振陀螺仪，阶数为n的谐波产生每小时一度 的数量级的漂移误差，阶数为2n的谐波产生每小时十分之一度的数量级的漂 移误差。

已知在车间中来校准陀螺仪和建立校正表，当这些陀螺仪在使用中时可应 用这些校正表。然而，漂移误差不仅是振动位置的函数，还是环境温度和陀螺 仪的老化的函数。在实践中，校正的潜能被限制。

此外，从文献US 2006/037417获知了一种方法，用于借助于振动陀螺仪 来测量旋转速度，其中规定将借助于模型预测的信号与在向振动的预定位置进 动期间测得的信号相比较。从该比较中，提取用于更新该模型的数据。因此该 步骤并不直接涉及确定旋转速度，而是涉及使得有可能得到关于该陀螺仪行为 的更佳知识的步骤。确定旋转速度在于将陀螺仪设置成为以该陀螺仪的固有振 荡频率的两倍的频率振动以及测量进动。

发明目的

本发明的目的是确定轴对称振荡传感器的旋转速度同时最小化漂移误差。

发明概述

为了达到该目的，本发明提供了一种确定轴对称振动传感器的旋转速度的 方法，该轴对称振动传感器具有与控制电极和检测电极关联的振动件，以产生 具有呈现n阶周期性的形变并且具有作为传感器的旋转的函数的可变的位置的 振动，该方法的特征在于包括以下步骤：

·接连地评估该振动相对于这些电极的至少2N+1个位置的旋转速度，这些 位置相对于彼此几何偏移，并且使用预先建立的比例因子通过应用进动控制信 号将振动从一个位置移到另一个位置；

·从2N+1个评估中识别该振动的秩最高达N的至少一个谐波漂移；以及

·为已减去所识别出的谐波漂移的至少一个评估确定旋转速度。

每个评估包括传感器速度中的非谐波漂移、该速度中的谐波漂移、以及噪 声。该识别阶段用于识别秩最高达N的谐波漂移，从而能够从至少一个评估中 减去该漂移以确定不再受该漂移影响的旋转速度。

借助于本发明，残余的漂移误差由此很小，并且是因非谐波漂移以及还因 较高阶的谐波漂移而导致，但其振幅相对较小。由此可在设备的初始校准期间 补偿该误差，只有值初始很小且已被补偿的变化对设备的测得旋转速度造成干 扰。

有利地，本方法包括从多个评估中减去谐波漂移以及对这些评估取平均的 步骤。

因此，取平均起到减少噪声的作用，由此进一步改善速度确定的精确度。

当输入值为零时，用于测量振动的角度位置的电子编码器所产生的线性误 差是最大的，因此可选择用于测量旋转速度的角度以避免(递送输入到角度编 码器的信号的)检测电极输出零值。

还适当地观察到，所描述的本发明以下述原理操作：正是谐振器的谐波漂 移导致在振动的各个位置之间旋转速度测量上的误差：因此需要使应用于传感 器的所有旋转速度全都相同并在这些测量时自始至终恒定，这是因为否则不可 能消去谐波漂移项。事实上，现实的约束是获知对应于这些测量的时间段期间 的各个旋转速度之间的差额，而相同的恒定速度纯粹是差额为零的特殊情况。

本发明还提供了一种用于实现本发明的方法的惯性设备。该惯性设备包括 具有与控制电极和检测电极关联的振动件的轴对称振动传感器、用于激发该传 感器以产生振动的装置，并包括用于评估该传感器在该振动相对于这些电极的 2N+1个位置中的每个位置中的旋转速度的装置，用于在使用预先建立的比例 因子的同时应用进动控制信号直至该振动到达该2N+1个位置中的每个位置的 装置，以及用于识别该振动的秩最高达N的至少一个谐波漂移并在已从至少一 个评估中减去该至少一个所识别出的谐波漂移之后从所述至少一个评估确定 旋转速度的装置。

附图简要说明

在阅读以下参照附图给出的本发明的特定非限定性实现的描述时本发明 的其它特征和优点将显现，其中：

·图1是沿图2的I-I的概略轴向剖视图，其示出半球钟形振动传感器；

·图2是沿图1的II-II线的剖视图；

·图3是示出本发明的方法的实现及其各种应用的框图；以及

·图4是地球仪以及振动传感器的概略视图，其说明本发明的寻北应用。

发明具体描述

参考图1和2，示出具有二阶形变的振动传感器的本发明的惯性设备。该 设备包括半球钟形振动传感器7，该传感器7按照已知的方式包括搭载在基 座2(也由硅石制成)上的硅石钟1、钟1由密封的外壳3包围，使得该传 感器能在真空中操作。

还是按照已知方式，钟1的内表面与其底部边缘一样是镀金属的，该底部 边缘面向两对控制电极4和两对检测电极5延伸，这些电极适宜地连接至控制 和检测单元6以产生图2中由点划线表示、且其位置由相对于参考电极5的角 度θ来标识的振动11。振动11的位置由控制单元6通过向控制电极4应用进 动控制信号来控制。

根据本发明的方法包括以下步骤：

·接连地评估该振动相对于这些电极的至少2N+1个位置的旋转速度，这些 位置相对于彼此几何偏移，并且通过在使用预先建立的比例因子的同时应用进 动控制信号来将该振动从一个位置移到另一个位置；

·从2N+1个评估中识别该振动的秩最高达N的至少一个谐波漂移；以及

·从已减去所识别出的谐波漂移的至少一个评估确定旋转速度。

轴对称振动传感器中的谐波漂移误差的模型具有以下形式：

其中，θe是电角度，bc_i和bs_i是常数。在仅考虑秩为1的谐波漂移的情况下如 以下所述来评估给定电角度θe的速度：

V＝bc₁cos(2θe)+bs₁sin(2θe)+旋转速度+噪声

通过写为

X＝V-旋转速度

得到以下公式

bc₁cos(2θe)+bs₁sin(2θe)＝X-噪声

即，三个未知数bc₁、bs₁以及X的公式。

借助于本发明，在数个位置执行测量，其中位置的数目使得有可能具备足 够数目的公式来计算这些未知数，即，在本示例中为三。

对于电角度θ₀、θ₁和θ₂，公式则为：

bc₁cos(2θ₀)+bs₁sin(2θ₀)＝X+噪声

bc₁cos(2θ₁)+bs₁sin(2θ₁)＝X+噪声

bc₁cos(2θ₂)+bs₁sin(2θ₂)＝X+噪声

以常规方式来计算这些未知数。一旦计算出了bc₁、bs₁和X，就计算谐波 漂移并从这些评估之一减去该谐波漂移以确定旋转速度。

为了得到甚至更精确的速度，从所有三个评估中减去该谐波漂移以获得三 个旋转速度，计算其平均值并将其用作为旋转速度。

因此，本发明的方法包括第一步骤8：将振动定位在第一位置θ₀。

对于振动的第一位置θ₀，本方法包括步骤9：评估传感器的旋转速度。此 对旋转速度的评估是按照已知方式通过在自由陀螺仪模式或速率陀螺仪模式 中使用陀螺仪来执行的。

在自由陀螺仪模式中，在很短的时间段期间执行对振动位置的一连串测 量，在该时间段期间振动的移动相对于阶数为二和四的谐波的周期而言很小。 尤其，在实现该方法以用于寻北的应用中，陀螺仪优选相对于地球表面驻定， 从而该陀螺仪的最大旋转速度就是地球的旋转速度，即，每小时15度(°/h)的 旋转速度。如果在十秒的时段上在自由陀螺仪模式中执行传感器的旋转速度， 则振动位置上的变化完全可忽略不计。

为了避免振动位置的任何变化并为了使得可避免由对振动位置进行编码 的误差所导致的误差，优选以低旋转速度在速率陀螺仪模式中执行评估，尽管 比例因子的精确度比自由陀螺仪模式中的低。

然后执行步骤10：通过向控制电极4应用进动控制信号来修正振动位置， 然后执行步骤13：评估传感器在经修正的位置的旋转速度。作为示例，该振动 被置于两个经修正的位置θ₁和θ₂(14)，θ₁和θ₂自初始位置θ₀几何偏移，例如， 偏移达20°和90°。

在计算步骤15期间如以上所述地执行评估的处理。

在这两个实现中，均可在考虑偏移位置的情况下来选择初始位置，如此使 得在每个位置中，由于与由检测电极5递送的模拟信号向数字信号转换的质量 有关的原因，相应的检测信号具有非零值。

当陀螺仪的旋转速度不恒定时，仍然有可能利用本发明。在这种情况下， 有用于对旋转速度上的变化作出测量18并用于从这些变化代数地减去在每个 位置中评估出的旋转速度的手段就足够。作为示例，这些步骤由与振动传感器 7并行连接到控制和检测单元6的远程陀螺仪19来实现。远程陀螺仪19对速 度的绝对测量呈现不良的精确度，但对测量很短时间段上的差额展现良好的精 确度。

远程陀螺仪19优选地通过对测得的变化求积分来实现，其中这些变化是 在与期间对使用振动传感器测得的旋转速度进行积分的那些时间段相同的时 间段上测得的。然后非常简单地通过对各积分求和并除以测量旋转速度所耗的 总时间来得到平均值，该平均值给出了对旋转速度的最终评估。

本发明的方法使得尤其可改善对利用恒定的旋转速度的评估的应用的实 现，尤其是寻北或者实现相对于基准元件对准的应用。

图3和图4示出寻北的应用，其中，惯性设备包含相对于地球仪16保持 驻定的振动传感器1。给定了地球围绕其南北轴的旋转速度，其对称轴平行于 穿过传感器的切线或纬线17(即，以东西方向)延伸的振动传感器1将不能感 知任何旋转。从传感器受非零旋转速度作用的方位，实现本应用的方法按照已 知方式包括步骤20：将传感器的旋转速度与参考元件的旋转速度(即，对于地 面上载体而言为地球仪的旋转)相比较，以及步骤21：通过应用将振动传感器 的旋转的分量作为其方位的函数给出的三角公式来确定传感器的方位。使用本 发明的方法评估旋转速度的精确度使得能以改进的精确度来实现此用于确定 北方的应用。为了在确定北方时获得最佳精确度，陀螺仪的对称轴优选被置于 大致在东西方向。

当在航程之前对准惯性设备时，惯性设备优选具有三个振动传感器，这三 个振动传感器的轴安排在三个正交方向上。

根据本发明的另一方面，修正振动的位置以评估旋转速度提供了执行进动 控制信号和振动位置的变化之间的比较22、以及执行计算23以获得经更新的 比例因子的机会，该比例因子可被立即用于评估振动传感器的旋转速度。

本发明的方法的各个步骤优选地由纳入到控制单元6中的软件来实现，该 控制单元6与振动传感器相结合来构成惯性设备。

自然地，本发明不限于所描述的各个实现，可对其进行本领域技术人员所 显而易见的变形而不超出权利要求所限定的本发明的范围。

具体而言，尽管所描述的应用是针对相对于地面驻定的振动传感器，但是 本发明的方法也可用于惯性设备由相对于地面移动的载体机载时。

尽管本发明参考阶数为二(n＝2)的陀螺仪进行描述，但是其也同样适用 于阶数更高的陀螺仪。

位置之间的角度可相同或不同，类似地，在各个位置执行评估的持续时间 可相同或不同。

位置的数目可大于2N+1。

本发明的方法可连续地实现，例如，借助于角度或偏位角积分(使用自由 和/或速率陀螺仪测量)、或者借助于导航积分(随后使用自由和/或速率陀螺 仪测量连同加速度计测量)以及纳入了适用于这些传感器的误差模型的卡尔曼 (Kalman)滤波器。

本发明的方法可包括以下步骤：

·计算评估的平均值；

·计算平均谐波漂移；以及

·从评估的平均值中减去平均谐波漂移。

除了本方法的这些步骤之外还可以执行修正。