確定振動陀螺中零點誤差的方法

2023-05-14 11:37:51

專利名稱：確定振動陀螺中零點誤差的方法
技術領域：
本發明涉及一種確定科式陀螺中零點誤差的方法。
背景技術：
科式陀螺(也被稱為振動陀螺)正在越來越多地用於導航的目的。科式陀螺具有可被導致振蕩的質量系統。這種振蕩一般情況下是大量獨立振蕩的疊加。質量系統的這些獨立振蕩初始時是互相獨立的，每個振蕩都可被抽象地稱為「諧振器」。振動陀螺的運行至少需要兩個諧振器其中的一個(第一諧振器)由人工激勵進行振蕩，下文中稱之為「激勵振蕩」。另一個諧振器(第二諧振器)僅當振動陀螺被移動/旋轉的時候被激勵以進行振蕩。這是因為這種情況下會出現科式力，科式力使第一振蕩器耦合於第二振蕩器，吸收來自第一振蕩器的激勵振蕩的能量，並將該能量傳輸至第二振蕩器的讀出振蕩(read oscillation)。第二振蕩器的振蕩在下文中使用「讀出振蕩」進行指代。為了確定科式陀螺的運動(尤其是旋轉運動)，讀出振蕩被分接(tap off)，相應的讀出信號(例如讀出振蕩分接信號)經檢驗以確定是否在讀出振蕩的振幅中出現任何變化，所述變化即表示對科式陀螺的旋轉進行的測量。科式陀螺可實現為開環系統和閉環系統。在閉環系統中，讀出振蕩的振幅經由相應的控制迴路被持續重設為固定值-優選為0。
科式陀螺的閉環方案的一個實例將在下文中參照圖2進行說明，從而進一步示出科式陀螺運行的方法。
諸如此類的科式陀螺1具有質量系統2，該系統可用於引起振蕩，在下文中也被稱為「諧振器」。必須在這一表述和上述「抽象」諧振器之間找出不同之處的，這一不同表示「真實」諧振器的獨立振蕩。如已經描述的，諧振器2可被視為由兩個「諧振器」組成的系統(第一諧振器3和第二諧振器4)。第一和第二諧振器3、4都連接於力傳感器(未示出)和分接系統(未示出)。由力傳感器和分接系統產生的噪聲在這裡使用噪聲1(附圖標記5)和噪聲2(附圖標記6)示意性地表示。
科式陀螺1還具有四個控制迴路第一控制迴路用於將激勵振蕩(也就是說第一振蕩器3的頻率)控制於固定頻率(諧振頻率)。第一控制迴路具有第一解調器7、第一低通濾波器8、頻率調節器9、VCO(電壓控制振蕩器)10和第一調製器11。
第二控制迴路用於將激勵振蕩控制為常數幅值，並具有第二解調器12、第二低通濾波器13和振幅調節器14。
第三和第四控制迴路用於重設那些對讀出振蕩進行激勵的力。在這種情況下，第三控制迴路具有第三解調器15、第三低通濾波器16、正交調節器17和第三調製器22。第四控制迴路包括第四解調器19、第四低通濾波器20、旋轉速度調節器21和第二調製器18。
第一諧振器3以其諧振頻率1被激勵。合成激勵振蕩被分接，並藉助第一解調器7進行相位解調，解調信號分量被提供到第一低通濾波器8，該濾波器將和頻從其中移除。分接信號在下文中也稱為激勵振蕩分接信號。第一低通濾波器8的輸出信號輸入頻率調節器9，該調節器作為輸入它的信號的函數控制VCO 10，從而使同相分量基本上趨向於零。為了實現這一目的，VCO 10將信號傳輸至第一調製器11，該調製器本身控制力傳感器從而使激勵力施加於第一諧振器3。如果同相分量是0，那麼第一諧振器3以其諧振頻率1進行振蕩。注意，所有的調製器和解調器都是在該諧振頻率1的基礎上工作。
激勵振蕩分接信號也輸入第二控制迴路並且通過第二解調器12進行解調，其輸出傳入第二低通濾波器13，濾波器的輸出又進入振幅調節器14。振幅調節器14作為該信號以及名義振幅傳感器23的函數控制第一調製器11，從而使第一振蕩器3以恆定振幅進行振蕩(也就是說激勵振蕩具有恆定幅值)。
如上所述，科式力-在附圖中使用項FC·cos(l·t)示出-在科式陀螺1運動/旋轉時出現，該力使第一諧振器3耦合於第二諧振器4，因此導致第二諧振器4振蕩。處於頻率2的合成讀出振蕩被分接，從而使相應的讀出振蕩分接信號(讀出信號)輸入第三和第四控制迴路中。在第三控制迴路中，該信號被第三解調器15解調，和頻被第三低通濾波器16移除，並且低通濾波信號輸入正交調節器17中，其輸出信號輸入第三調製器22從而重新設定讀出振蕩的相應正交分量。與此類似，在第四控制迴路中，讀出振蕩分接信號被第四解調器19解調，通過第四低通濾波器20，並且相應的低通濾波信號一方面輸入旋轉速度調節器21，其輸出信號與瞬時旋轉速度成比例，然後作為旋轉速度測量結果傳入旋轉速度輸出24，另一方面該信號輸入第二調製器18，該調製器對讀出振蕩的相應的旋轉速度分量進行重新設置。
如上所述的科式陀螺1可以雙諧振的形式和非雙諧振的形式運轉。如果科式陀螺1以雙諧振形式運轉，那麼讀出振蕩的頻率2就大概等於激勵振蕩的頻率1，同時，相反，在非雙諧振的情況下，讀出振蕩的頻率2與激勵振蕩的頻率1不同。在雙諧振的情況下，第四低通濾波器20的輸出信號包含關於旋轉速度的相應信息，同時，在非雙諧振的情況下，第三低通濾波器16的輸出信號不包括上述信息。為了在不同的雙諧振/非雙諧振運轉模式之間進行轉換，設置有雙向開關25，該開關可選擇性地將第三和第四低通濾波器16、20的輸出與旋轉速度調節器21和正交調節器17相連接。
質量系統2(諧振器)一般具有兩個或者多個自然諧振，也就是說，質量系統2的不同的自然振蕩可被激勵。這些自然振蕩中的一個是人工製造的激勵振蕩。另一個自然振蕩由讀出振蕩表示，該振蕩是在科式陀螺1旋轉期間由科式力激勵得到的。由於機械結構的原因，也由於不可避免的製造公差，所以不可能防止質量系統2的其他自然振蕩，除了激勵振蕩和讀出振蕩，在某些遠離諧振的情況下，系統也可被激勵。不過，不想要的激勵自然振蕩會到導致讀出振蕩分接信號的變化，由於這些自然振蕩也至少是由讀出振蕩信號分接所讀出的。因此讀出振蕩分接信號的組成一部分是由科式力引起的，另一部分是來自對不想要的諧振進行的激勵。不想要的部分會在科式陀螺中引起零點誤差，其振幅是未知的，在這種情況下，當讀出振蕩分接信號被分接時，不可能區分這兩部分。

發明內容
本發明的目的是提供一種方法，藉助該方法，可建立上述「第三」模式振蕩的影響並且因此也可確定零點誤差。
這一目的是通過權利要求1所述的特徵實現的。本發明也提供了一種科式陀螺，如權利要求7所述。相應的附屬權利要求中也包含了對本發明思想的有利提煉和改善。
根據本發明，一種用於確定科式陀螺零點誤差的方法，科式陀螺的諧振器具有輸入其中的適當擾動力，從而使諧振器的至少一個自然振蕩被激勵，該自然振蕩與諧振器的激勵振蕩和讀出振蕩不同，在這種情況下，讀出信號表示讀出振蕩並且由對至少一個自然振蕩的激勵而引起，讀出信號中的變化被確定為對零點誤差進行的測量。
在這種情況下，術語「諧振器」表示被引起振蕩的科式陀螺的整個質量系統，也就是說，參照圖2，是由附圖標記2表示的科式陀螺的部分。
本發明的本質就在於對不想要的諧振器自然振蕩(也就是說，既不是激勵振蕩也不是讀出振蕩的自然振蕩)進行人工激勵並且觀察它們對讀出振蕩分接信號的影響。不想要的自然振蕩在這種情況下是通過將適當的擾動力施加於諧振器而被激勵的。這種擾動對於讀出振蕩分接信號的「穿透力」就表示對科式陀螺的零點誤差(偏差)進行的測量。因此，如果讀出振蕩分接信號中包含的擾動分量的強度被確定並且與產生該擾動分量的擾動力的強度相比較，那麼就可從中獲得零點誤差。
自然振蕩的人工激勵和自然振蕩對讀出振蕩分接信號的「穿透力」的確定最好在科式陀螺的運轉期間進行。不過，零點誤差也可在沒有任何激勵振蕩存在的情況下得到。
擾動力優選是具有適當擾動頻率的交變力，例如正弦和餘弦的力的疊加。在這種情況下，擾動頻率比較有利地等於，或者基本上等於，諧振器的自然振蕩頻率。讀出信號的變化(擾動分量)可通過在擾動頻率基礎上使讀出信號經歷解調過程而記錄。
由至少一個自然振蕩中的一個(也就是說「第三」振蕩模式中的一個)引起的零點誤差貢獻(zero error contributions)優選通過確定讀出信號中的相應變化的強度，確定自然振蕩的相應諧振Q因數，並且對確定的強度和諧振Q因素進行計算而得以確定。
自然振蕩的諧振Q因數優選通過對相應的擾動頻率進行解調並且同時測量其在讀出信號中產生的變化而進行確定。
為了研究不想要的自然振蕩對讀出振蕩分接信號的影響，兩個或多個自然振蕩可被同時激勵，它們對讀出振蕩分接信號的「共同」影向可被記錄下來。不過，所有感興趣的擾動自然振蕩最好進行單獨激勵，並分別觀察它們對讀出振蕩分接信號的相應影響。通過這種方式從獨立自然振蕩中獲得的零點誤差然後可相加從而得到由自然振蕩產生的「整體零點誤差」(這裡稱之為「零點誤差」)。
擾動分量可直接從讀出振蕩分接信號中確定。
本發明也提供了一種科式陀螺，該陀螺的特徵在於用於確定科式陀螺的零點誤差的裝置。該裝置具有-擾動單元，該擾動單元向科式陀螺的諧振器施加適當的擾動力，從而對諧振器的至少一個自然振蕩進行激勵，該振蕩與諧振器的激勵振蕩和讀出振蕩不同，並且-擾動信號檢測單元，該擾動信號檢測單元確定擾動分量，該分量包含於表示讀出振蕩的讀出信號中，並且是通過對至少一個自然振蕩進行激勵而得到的，從而作為對零點誤差進行的測量。
如果擾動力是由特定擾動頻率的交變力而產生的，那麼擾動信號檢測單元包含解調單元，藉助該解調單元，讀出信號經歷解調過程(以擾動頻率同步解調)。該擾動分量以這種方式從讀出信號中確定。
該擾動信號檢測單元優選具有兩個彼此正交工作的解調器，兩個低通濾波器和控制與評估單元，讀出振蕩分接信號輸入解調器，來自兩個解調器的輸出信號在低通濾波器中的每個中濾波，低通濾波器的輸出信號供給於控制與評估單元，該控制與評估單元在此基礎上確定零點誤差。
該控制與評估單元在輸入信號的基礎上作用於擾動單元，藉助於此，擾動力的頻率可被控制與評估單元控制。
讀出信號中的擾動分量的強度以及相應自然振蕩的諧振Q因數必須確定從而確定零點誤差。然後，這些值被計算從而獲得零點誤差。為了確定諧振Q因數，擾動元件的頻率必須被在諧振頻率上解諧，同時藉助擾動信號檢測器元件進行測量。這一過程最好通過軟體實現，軟體的功能如下-尋找「明顯的」第三(擾動)自然諧振-從相關的諧振曲線移開-計算Q因數和激勵強度，以及在讀出通道中該第三振蕩的「可見性」-在Q因數、強度和「可見性」的基礎上計算該第三振蕩對偏差的作用該偏差可藉助軟體通過計算進行補償。


本發明將在下文中參照附圖以示例性實施例的形式更詳細地進行描述。
圖1示出了基於根據本發明方法的科式陀螺的示意性設計圖；圖2示出了傳統科式陀螺的示意性設計圖。
具體實施例方式
與圖2所對應的部件和裝置在附圖中使用相同的附圖標記表示，在這裡不再進行說明。根據本發明的方法將參照附圖1在下文中使用示例性實施例進行詳細地說明。
一種重置科式陀螺額外地設置有控制與評估單元26，具有可變頻率ω模和優選可調整振幅的調製器27(擾動元件)，兩個解調器28、29，所述解調器以ω模的頻率正交運轉，以及第五和第六低通濾波器30和31。擾動元件27產生頻率為ω模的交變信號，該信號被加入激勵振蕩(第一振蕩器3)的力輸入中。而且，該信號作為基準信號提供給解調器28、29。因此，對應於交變信號的交變力額外應用于振蕩器2。該交變力除了激勵振蕩之外還激勵了振蕩器2的另一自然振蕩(也被稱為「第三」自然振蕩模式)，其作用可以以讀出振蕩分接信號的擾動分量的形式被觀察到。在該實例中，讀出振蕩分接信號相對於由調製器27產生的激勵同相地並且正交地經歷解調過程，該過程以ω模頻率(擾動頻率)由解調器28、29執行。以這種方式得到的信號是經過低通濾波的(由第五和第六低通濾波器30、31)，並輸出於控制與評估單元26中。該控制與評估單元26以下述方式控制頻率ω模，並且，如果適當的話，控制由調製器27產生的交變信號的激勵振幅，該方式即持續確定「明顯的」第三自然振蕩模式的頻率和強度以及其Q因數的方式。該控制與評估單元26使用這種方式計算相應的瞬時偏差誤差，並將其輸入以校正陀螺的偏差。
權利要求
1.一種確定科式陀螺(1』)中的零點誤差的方法，其中-所述科式陀螺(1』)的諧振器(2)被施加有適當的擾動力，從而使所述諧振器(2)中的至少一個自然振蕩被激勵，該振蕩與所述諧振器(2)的激勵振蕩和讀出振蕩不同，並且-表示所述讀出振蕩並且由對至少一個自然振蕩的激勵而引起的讀出信號中的變化被確定，作為所述零點誤差的測量。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述擾動力是在適當擾動頻率下的交變力，所述擾動頻率是所述振蕩器(2)的自然振蕩頻率。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述讀出信號中的變化通過基於所述擾動頻率使所述讀出信號經歷解調過程而進行記錄。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，由至少一個自然振蕩中的一個產生的零點誤差貢獻通過確定所述讀出信號中的相應變化的強度、確定所述自然振蕩的相應諧振Q因數，並通過計算所確定的強度和諧振Q因數而進行確定。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，自然振蕩的諧振Q因數通過對相應的擾動頻率進行解諧並且同時測量其在所述讀出信號中產生的變化而進行確定。
6.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述諧振器(2)的兩個或多個相繼自然振蕩被激勵，所述讀出信號中的相應變化被記錄，並且相應的零點誤差貢獻被確定，所述科式陀螺(1』)的零點誤差通過將所述零點誤差貢獻求和而被確定。
7.一種科式陀螺(1』)，其特徵在於，具有確定所述科式陀螺(1』)的零點誤差的裝置，包括-擾動單元(27)，該擾動單元將適當的擾動力施加於所述科式陀螺(1』)的諧振器(2)，從而使所述諧振器(2)的至少一個自然振蕩被激勵，該振蕩與所述振蕩器(2)的激勵振蕩和讀出振蕩不同，以及-擾動信號檢測單元(26、28、29、30、31)，該擾動信號檢測單元確定擾動分量，該分量包含於表示所述讀出振蕩的讀出信號中並且已經通過至少一個自然振蕩的激勵而產生，作為對所述零點誤差進行的測量。
8.根據權利要求7所述的科式陀螺(1』)，其特徵在於，所述擾動信號檢測元件包括兩個解調器(28、29)，所述解調器相互正交運轉、兩個低通濾波器(30、31)、以及控制與評估單元(26)，所述解調器(28、29)被提供所述讀出振蕩分接信號，來自兩個解調器(28、29)的輸出信號被所述低通濾波器(30、31)中的每一個濾波，並且所述低通濾波器(30、31)的輸出信號輸入所述控制與評估單元(26)中，所述控制與評估單元(26)在此基礎上確定所述零點誤差。
9.根據權利要求8所述的科式陀螺(1』)，其特徵在於，所述控制與評估單元(26)在所述輸入信號的基礎上作用於所述擾動元件，通過這種方式，所述擾動力的頻率可由所述控制與評估單元(26)控制。
全文摘要
本發明涉及一種用於確定振動陀螺儀(1)的零點誤差的方法。根據所述方法，振蕩陀螺儀(1)的諧振器(2)以下述方式被適當的幹涉力衝擊，即諧振器(2)中與諧振器(2)的激勵振動和讀出振動不同的至少一個內在振蕩被引起，並且由內在振動的激勵而造成的、對表示讀出振動的讀出信號進行的修正確定為零點誤差的值。
文檔編號G01C19/56GK1774612SQ200480009731
公開日2006年5月17日 申請日期2004年3月26日 優先權日2003年4月14日
發明者沃納·施洛德 申請人:利特夫有限責任公司