CN100523731C - 补偿科式陀螺的零点误差的方法 - Google Patents

Abstract

在一种确定振动陀螺仪(1’)的零点误差的方法中：所述读出振动的频率被调制；所述振动陀螺仪(1’)的旋转速率闭合回路或者正交闭合回路的输出信号与所述读出振荡的频率的调制同步进行解调，从而获得表示所述零点误差的值的辅助信号；一补偿信号被产生并且传输至所述旋转速率闭合回路的输入，所述补偿信号被调节成使所述辅助信号的强度尽可能地低。

Description

补偿科式陀螺的零点误差的方法

技术领域

本发明涉及一种补偿科式陀螺零点误差的方法。

背景技术

科式陀螺(也被称为振动陀螺)正在越来越多地用于导航的目的。科式陀螺具有可被引起振荡的质量系统。这种振荡一般情况下是大量独立振荡的叠加。质量系统的这些独立振荡初始时是互相独立的，每个振荡都可被抽象地称为“谐振器”。振动陀螺的运行至少需要两个谐振器：其中的一个(第一谐振器)由人工激励进行振荡，下文中称之为“激励振荡”。另一个谐振器(第二谐振器)仅当振动陀螺被移动/旋转的时候被激励以进行振荡。这是因为这种情况下会出现科式力，科式力使第一振荡器连接于第二振荡器，吸收来自第一振荡器的激励振荡的能量，并将该能量传输至第二振荡器的读出振荡(read oscillation)。第二振荡器的振荡在下文中使用“读出振荡”进行指代。为了确定科式陀螺的运动(尤其是旋转运动)，读出振荡被分接，相应的读出信号(例如读出振荡分接信号)经检验以确定是否在读出振荡的振幅中出现任何变化，所述变化即表示对科式陀螺的旋转进行测量的结果。科式陀螺可实现为开环系统和闭环系统。在闭环系统中，读出振荡的振幅经由相应的控制回路被持续重设为固定值-优选为0。

科式陀螺的闭环方案的一个实例将在下文中参照图2进行说明，从而进一步示出科式陀螺的运转方法。

诸如此的科式陀螺1具有质量系统，该系统可被引起振荡，在下文中也被称为“谐振器”。这一表述和上述“抽象”谐振器之间是存在不同之处在于这一表述表示“真实”谐振器的独立振荡。如上所述，谐振器2可被视为由两个“谐振器”组成的系统(第一谐振器3和第二谐振器4)。第一和第二谐振器3、4都连接于力传感器(未示出)和分接系统(未示出)。由力传感器和分接系统产生的噪声在这里使用噪声1(附图标记5)和噪声2(附图标记6)示意性地表示。

科式陀螺1还具有四个控制回路：

第一控制回路用于控制以固定频率(谐振频率)激励产生振荡(也就是说第一谐振器3的频率)。第一控制回路具有第一解调器7、第一低通滤波器8、频率调节器9、VCO(电压控制振荡器)10和第一调制器11。

第二控制回路用于将激励振荡控制为常数幅值，并具有第二解调器12、第二低通滤波器13和振幅调节器14。

第三和第四控制回路用于重设那些对读出振荡进行激励的力。在这种情况下，第三控制回路具有第三解调器15、第三低通滤波器16、正交调节器17和第三调制器22。第四控制回路包括第四解调器19、第四低通滤波器20、旋转速率调节器21和第二调制器18

第一谐振器3被激励为谐振频率1。所得激励振荡被分接，并借助第一解调器7进行相位解调，解调信号分量输入第一低通滤波器8，该滤波器将和频从其中移除。分接信号在下文中也使用激励振荡分接信号进行指代。第一低通滤波器8的输出信号由频率调节器9使用，该调节器控制VCO 10作为输入信号的函数，从而使同相分量基本上趋向于零。为了实现这一目的，VCO 10将信号传输至第一调制器11，该调制器本身控制力传感器从而使激励力应用于第一谐振器3。如果同相分量是0，那么第一谐振器3以其谐振频率1进行振荡。注意，所有的调制器和解调器都是在该谐振频率1的基础上运转的。

激励振荡分接信号也输入第二控制回路并且通过第二解调器12进行解调，其输出通过第二低通滤波器13，滤波器的输出又进入振幅调节器14。振幅调节器14控制第一调制器11作为该信号以及名义振幅传感器23的函数，从而使第一谐振器3以常规振幅进行振荡(也就是说激励振荡具有常数幅值)。

如上所述，科式力-在附图中使用FC·cos(l·t)示出-在科式陀螺1运动/旋转时出现，该力使第一谐振器3连接于第二谐振器4，因此导致第二谐振器4振荡。处于频率2的合成读出振荡被分接，从而使相应的读出振荡分接信号(读出信号)输入第三和第四控制回路中。在第三控制回路中，该信号被第三解调器15解调，和频被第三低通滤波器16移除，并且低通滤波信号输入正交调节器17中，其输出信号输入第三调制器22从而重新设定读出振荡的相应正交分量。与此类似，在第四控制回路中，读出振荡分接信号被第四解调器19解调，通过第四低通滤波器20，并且相应的低通滤波信号一方面输入旋转速率调节器21，其输出信号与瞬时旋转速率成比例，然后作为旋转速率测量结果传入旋转速率输出24，另一方面该信号输入第二调制器18，该调制器对读出振荡的旋转速率分量进行重新设置。

如上所述的科式陀螺1可以双谐振的形式和非双谐振的形式运转。如果科式陀螺1以双谐振形式运转，那么读出振荡的频率2就大概等于激励振荡的频率1，同时，相反，在非双谐振的情况下，读出振荡的频率2与激励振荡的频率1不同。在双谐振的情况下，第四低通滤波器20的输出信号包含关于旋转速率的相应信息，同时，在非双谐振的情况下，第三低通滤波器16的输出信号不包括上述信息。为了在不同的双谐振/非双谐振运转模式之间进行转换，设置有双向开关25，该开关可选择性地将第三和第四低通滤波器16、20的输出与旋转速率调节器21和正交调节器17相关联。

作为不可避免的制造误差的结果，有必要考虑激励力/重置力/力传感器/分接器与谐振器2的自然振荡之间存在的细微的偏差(也就是说，谐振器2的实际激励模式和读出模式之间)。这就意味着读出振荡分接信号会受到误差的影响。因此，在这种情况下，读出振荡分接信号一部分来自于实际读出振荡，另一部分来自于实际激励振荡。但是，不想要的部分会导致科式陀螺出现大小未知的零点误差，这是由于当读出振荡分接信号被分接时不可能对这两个部分进行区分。

发明内容

本发明所基于的目标是提供一种可确定上述零点误差的方法。

这一目的是通过权利要求1所述的特征实现的。本发明也提供了一种如权利要求6所述的科式陀螺。相应的附属权利要求中也包含了对本发明思想的有利提炼和改善。

根据本发明所述，提供了一种确定科式陀螺的零点误差的方法，所述读出振荡的频率(最好是谐振频率)被调制，用于所述科式陀螺的旋转速率控制回路或者正交控制回路的信号与所述读出振荡的频率(谐振频率)的调制同步进行解调，从而获得作为所述零点误差的测量值的辅助信号。然后产生补偿信号，并且该补偿信号传输至所述旋转速率控制回路或者正交控制回路的输入，并且所述补偿信号受控制从而使所述辅助信号的幅值尽可能地小。

在这种情况下，术语“谐振器”表示可以被引起振荡的科式陀螺的整个质量系统，也就是说，参照图2，由附图标记2表示的科式陀螺的部分。

作为本发明的基础的一个主要发现就是旋转速率控制回路/正交控制回路的输出信号随着所述读出振荡的频率的变化而变化，而只有当存在相应的零点误差时所述读出振荡的频率才变化，也就是说，当激励力/重置力/力传感器/分接器与谐振器2的自然振荡之间存在的细微的偏差时。因此，如果对由偏差引起的读出振荡分接信号中的零点误差进行补偿的补偿信号传输入旋转速率控制回路/正交控制回路的输入或者直接传入所述读出振荡分接信号，那么在所述读出振荡的频率出现变化的情况下(尤其是振荡频率出现变化时)，旋转速率控制回路/正交控制回路的输出信号就不会出现任何变化。由于旋转速率控制回路/正交控制回路的输出信号的变化由辅助信号记录，所以零点误差可按照下述方式进行确定和补偿：所述补偿信号受控制从而使所述辅助信号(因此也就是所述控制回路的输出信号的变化)尽可能地小。

所述读出振荡的频率(谐振频率)最好以零点平均值进行调制，例如55Hz的零点平均值。

所述辅助信号最好是经过低通滤波的，并且所述补偿信号是在所述低通滤波辅助信号的基础上产生的。所述补偿信号可以是例如，通过使在所述辅助信号基础上产生的受控信号乘以来自控制所述激励振荡的振幅的振幅调节器的信号而产生的。所述辅助信号最好是由来自所述正交控制回路的输出信号确定的，所述补偿信号传输至所述旋转速率控制回路的输入中。

本发明也提供了一种科式陀螺，其特征在于，具有一种用于确定所述科式陀螺的零点误差的装置，该装置包括：

-调制单元，该单元调制所述科式陀螺的读出振荡的频率，

-解调单元，该单元解调来自所述科式陀螺的旋转速率控制回路或者正交控制回路的输出信号，所进行的解调与所述读出振荡的频率的调制同步，从而获得作为所述零点误差的测量值的辅助信号，以及

-控制单元，该单元产生补偿信号并将该信号传输至所述旋转速率控制回路或者正交控制回路的输入中，所述控制单元控制所述补偿信号从而使所述辅助信号尽可能地小。

附图说明

本发明将在下文中参照附图以示例性实施例的形式更详细地进行描述。

图1示出了基于根据本发明方法的科式陀螺的示意性设计图；

图2示出了传统科式陀螺的示意性设计图；

图3示出了说明科式陀螺中的谐振器、力传感器系统和分接系统的相互作用的示意图；

图4a至4d示出了说明双谐振时的科式陀螺的力和振荡的振幅的示意图；

图5a至5d示出了说明接近双谐振时的科式陀螺的力和振荡的振幅的示意图；

图6a至6d示出了说明双谐振时根据本发明所述的方法的示意图；

图7a至7d示出了说明接近双谐振时根据本发明所述的方法的示意图。

具体实施方式

与图2所对应的部件和装置在附图中使用相同的附图标记表示，在这里不再进行说明。

首先，将根据图3至5再次说明科式陀螺的运转的传统方法，所述附图是采用向量图形式示出的(高斯数平面)。

根据本发明所述的方法仅当双谐振基本上呈现出平均时才能运行。注释有“接近双谐振”的附图示出了当对读出振荡的谐振频率进行调制而出现“接近双谐振”的情况时的改变状态。

图3示意性地示出了一科式陀螺，更精确地说，示出了一包括有科式陀螺中的谐振器(未示出)、力传感器系统41和分接系统42的系统40。可能的振荡x(激励)和y(读出)也进行了标注，它们通过相对于附图平面右角度旋转的科式力相互关联。X振荡(复数；谐振时为纯虚数)是由具有复振幅Fx的交变力激励产生的(在这种情况下只是实数部分Fxr)。Y振荡(复数)受复振幅为Fy并且具有实部Fyr和虚部Fyi的交变力作用而被重设。在各种情况下都省略了旋转向量exp(i^**t)。

图4a至4d示出了理想的科式陀螺的复合力和振荡复振幅，并且x和y振荡具有相同的谐振频率(双谐振)。力Fxr控制成产生纯虚的、恒定的x振荡。这是通过振幅调节器14和相位调节器10/频率调节器9实现的，该振幅调节器控制x振荡的幅值，该相位调节器/频率调节器控制x振荡的相位。工作频率1受控制从而使x振荡为纯虚数，也就是说x振荡的实部被控制为零。

由于科式力与x振荡的速度成比例，所以旋转期间的科式力FC是纯实数。如果两个振荡都具有相同的谐振频率，那么由力FC引起的y振荡具有图4d所示的形式。如果x和y振荡的谐振频率稍微有所不同，那么就会出现复合力和振荡复振幅，形式如图5a至5d所示。这尤其会导致由FC激励的y振荡，如图5d所示。

当出现双谐振时，y分接信号的实部为零，但是相反，在没有出现双谐振的情况下，实部不会为零。在这两种情况下，使用重设陀螺，科式力FC由调节器Fyr归零，该调节器可补偿FC。在使用处于双谐振的科式陀螺的情况下，y的虚部通过Fyr归零，y的实部通过Fyi归零。两个控制过程的带宽大致为100Hz。

现在将参照附图1使用示例性实施例详细地说明根据本发明所述的方法。

重置式科式陀螺1’额外设置有解调单元26，第五低通滤波器27，控制单元28，调制单元29和第一乘法器30，或者，可选择地，第二乘法器31。

调制单元29调制处于某一频率模(mod)的谐振器2的读出振荡的频率。正交控制回路的输出信号输入解调单元26，该单元与所述频率模同步地解调该信号从而获得辅助信号。如果存在任何的零点误差(也就是说激励力/重置力/力传感器/分接器与谐振器2的自然振荡之间是否存在的细微的偏差)，那么该辅助信号的强度将作为该读出振荡的频率的函数而变化。该辅助信号输入第五低通滤波器27，该滤波器产生低通滤波信号并将其输入至控制单元28。控制单元28使用低通滤波辅助信号作为基础，从而产生输送入第一乘法器30的信号。该乘法器将控制单元28发出的信号乘以来自控制激励振荡的振幅的振幅调节器14的信号。通过该乘法过程获得的补偿信号被加入至旋转速率控制回路的输入中。控制单元28控制输入第一乘法器30的信号，从而使辅助信号的幅值尽可能地小。这就校正了零点误差。而且，零点误差的幅值可由所述补偿信号确定，该补偿信号表示对所述零点误差进行的测量值。可选择地，控制单元28的输出信号可输入第二乘法器31，该乘法器将该信号乘以激励振荡分接信号并且将由此种方式产生的补偿信号加入读出振荡分接信号。术语“控制单元”并不局限于所述控制单元28，也可表示所述控制单元28与第一或第二乘法器30、31的结合。

输入所述解调单元26的信号也可在所述控制回路的不同点处被可选择地分接。

上述根据本发明的方法也可如下参照图6a至6d和7a至7d进行说明：

对于y振荡进行的分接(第二谐振器x2，4)通常也可“检测到”x振荡的一部分(第一谐振器x1，3)：a21*x。这会导致科式陀螺出现零点误差，而必须该误差进行确定。图6a至6d示出了处于双谐振的情况，图7a至7d示出了接近双谐振的情况。在这两种情况下，实际y位移和a21*x的加和信号通过Fyi和Fyr“归零”。如果a21不等于零，那么当旋转速率为零时(零点误差)Fxr不等于零。Fyi只有当双振荡出现时才达到零。当谐振频率中存在误差时会导致正交偏差。

现在根据本发明对a21进行补偿如下。所述陀螺假定为处于双谐振状态。可进行电解谐的读出振荡的谐振频率由所述调制单元29使用零点平均值(例如55Hz的零点平均值)进行调制，并且信号Fyi由解调单元26解调并与所述重置控制回路的关闭同步。如果a21为零，那么Fyi不会随着频率变化，也就是说，Fyi只会在a21不等于零时变化。在后种情况下，经低通滤波的、同步解调的Fyi信号不等于零。所述解调信号输入控制单元28中(最好采用软件的形式)，控制单元控制因数a21comp(辅助变量)。X位移的受控分量，a21comp*x，从y分接的信号中分接出来(最好在软件中)。该分量a21comp的幅值控制成使解调Fyi信号成为零。因此，在y分接的信号中不再存在任何的x信号分量，x信号分量已经以这种方式被清除掉，并且由读出交叉干扰引起的偏差会消失。当处于双谐振并且具有相同的Q因数时，交叉干扰调节器本身就可将所述读出交叉干扰引起的偏差归零。这是因为Fxr的调制也会稍微调制x的振幅。Fyr中x的力分量与y接收的x读出分量的加和因此经由所述力交叉干扰调节器归零。因此，如果Q因数是相同的，那么偏差会消失。

可选择地，也可使用噪声调制所述读出振荡。所述读出信号中的噪声分量的适当同步解调用于上述这种情况下。

Claims (6)

1、一种补偿科式陀螺(1’)中的零点误差的方法，其中：

-读出振荡的频率被调制，

-来自用于所述科式陀螺(1’)的旋转速率控制回路或者正交控制回路的输出信号与所述读出振荡的频率的调制同步进行解调，从而获得作为所述零点误差的测量值的辅助信号，

-产生补偿信号，并且该补偿信号传输至所述旋转速率控制回路或者正交控制回路的输入中，并且

-所述补偿信号受控制从而使所述辅助信号的幅值尽可能地小。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述读出信号的频率的调制是使用零点平均值进行的调制。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述辅助信号是经过低通滤波的，并且所述补偿信号是在所述低通滤波辅助信号的基础上产生的。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补偿信号是通过使在所述辅助信号基础上产生的受控信号乘以来自控制激励振荡的振幅的振幅调节器的信号而产生的。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅助信号是由来自所述正交控制回路的输出信号确定的，并且所述补偿信号传输至所述旋转速率控制回路的输入中。

6、一种科式陀螺(1’)，其特征在于，具有一种用于确定所述科式陀螺(1’)的零点误差的装置，该装置包括：

-调制单元(29)，该单元调制所述科式陀螺(1’)的读出振荡的频率，

-解调单元(26)，该单元解调来自所述科式陀螺(1’)的旋转速率控制回路或者正交控制回路的输出信号，所进行的解调与所述读出振荡的频率的调制同步，从而获得作为所述零点误差的测量值的辅助信号，以及

-控制单元(28)，该单元产生补偿信号并将该信号传输至所述旋转速率控制回路或者正交控制回路的输入中，所述控制单元(28)控制所述补偿信号从而使所述辅助信号尽可能地小。

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