CN101133331B - 具有传感器偏差消除的惯性测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种惯性测量系统和方法，其中基座根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转，绕输入轴的旋转用一个或多个角速率传感器来感测，通过抖动围绕垂直于它们的感测轴的轴的传感器来以振动的方式改变感测轴相对于基座的方位，以消除固定偏差偏移，而来自传感器的信号以抖动频率解调。

Description

具有传感器偏差消除的惯性测量系统和方法

技术领域

本发明总体上涉及惯性测量，以及，更具体地，涉及一种惯性测量系统和方法，在其中消除了速率传感器或者陀螺仪的固定偏差偏移。

背景技术

角速率传感器或者陀螺仪(gyroscope)，通常统称为陀螺(gyro)，对固定偏移或者偏差敏感，所述固定偏移或者偏差是惯性测量中重要的误差来源。这些固定偏移误差的幅度取决于所使用的传感器或者陀螺仪的类型。在对偏移误差具有严格限制的应用中，通常必须使用具有很低的残留偏移误差的更昂贵的传感器，而那些传感器往往是相对大而且重的。

迄今为止，通过恒定旋转的应用已经去除了偏移误差。例如，水平惯性仪器，诸如陀螺仪和加速计，已经以转盘(carousel)方式绕垂直轴连续地旋转。然而，应用恒定旋转并不总是可行的或者甚至并不是希望的。

对于环形激光陀螺，通过抖动(dither)围绕输入轴的传感器，最小化由众所周知的频率锁定效应所引起的误差。然而，不希望绕其输入轴来旋转传感器，因为除了将要检测的那一个之外，它提供角速率输入。

在已有技术的惯性系统中，还需要依靠复数模型来预测偏移随时间以及由于诸如温度的因素的变化。这些模型在一些应用中能够是非常有用的，但是往往需要把偏移消除到比模型所能够提供的精度更高的级别。

发明内容

总体上，本发明的一个目的是提供一种用于惯性测量的新的且改进的系统和方法，在其中消除了固定偏差偏移。

本发明的另一目的是提供一种具有以上特征的系统和方法，其克服了已有技术的局限性和缺点。

根据本发明，通过提供一种惯性测量系统和方法实现了这些及其它目的，在该系统和方法中，基座(base)根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转，绕输入轴的旋转用一个或多个角速率传感器感测，通过抖动围绕与它们的感测轴垂直的轴的传感器来以振动(oscillatory)的方式改变感测轴相对于基座的方位，来消除固定偏差偏移，而来自传感器的信号以抖动频率解调。

附图说明

图1是根据本发明的速率传感器系统的一个实施例的示意透视图。

图2是图1的实施例的俯视图。

图3是在图1的实施例中用于处理来自传感器的信号的系统的框图。

图4是在包含本发明的速率传感器系统的另一实施例中用于处理来自传感器的信号的系统的框图。

图5是包含本发明的速率传感器系统的另一实施例的俯视图，一定程度上是示意图。

具体实施方式

如图1所示，系统包括安装基座(mounting base)11和安装在基座上的调制器12上的两个角速率传感器或者陀螺仪G_x和G_y，传感器的输入轴名义上与基座的x和y轴对齐。调制器绕z轴旋转传感器，该z轴垂直于传感器的输入轴并垂直于基座。

该旋转在本质上是振动或者抖动的，频率在几赫兹至几百赫兹的数量级，而振幅在几毫弧度至几度的数量级。传感器13监测调制器的位置并且提供与调制器和速率传感器的瞬时角位移相对应的信号。如以下更完全地讨论的，该信号允许系统解调或者去除与陀螺输出信号的处理有关的调制效应。

调制器可以是合适的已知的设计，包括振动机械挠曲(flexure)或弹簧、压电致动器、电机、或者基于MEMS的结构。调制的振幅应该足够大以提供陀螺输出信号的足够分辨率，而频率应该高于将要测量的旋转。除此之外，调制器必须在传感器轴的平面内提供稳定的运动。该运动可以具有任意合适的类型，包括简单的周期波形，诸如正弦波或者方波、或者更复杂的运动。

调制传感器13还可以是传统的设计，诸如线圈和磁铁、光学传感器、或者编码器。

调制器的旋转使速率传感器或者陀螺的输入轴相对于基座的固定轴旋转，在任意给定时刻在传感器轴和基座轴之间对齐中的差等于调制器的瞬时角度位置。不同于绕输入轴旋转传感器从而施加角速率输入到传感器的已有技术器件，调制器旋转它们自己的输入轴，而没有乱真(spurious)速率输入。输入轴的方位以抖动的方式随着相对快的振动运动而改变，并且在没有其它外部施加的角度输入的情况下，传感器轴的旋转不产生旋转速率信号。

在图2中，速率传感器或者陀螺的输入轴x′、y′示出为相对于基座的固定基准轴x、y旋转角度θ_m。z轴垂直于图平面，并且向包括基座的整个系统施加绕y轴旋转的外部速率Ω。调制器围绕z轴振动，振幅典型地在2-50毫弧度的数量级，而频率在20-500Hz的数量级，更高的振动频率典型地与更小的振动振幅相关联。传感器13检测θ_m的瞬时值，并且提供在处理来自陀螺的输出信号中所使用的信号。该信号允许系统补偿速率传感器G_x和G_y的时变输入轴以及用于解调陀螺输出。

速率传感器或者陀螺在输入轴调制的频率处应该具有用于测量的适当带宽，并且它们在接近于调制频率的频率范围内还应该具有足够低的噪声，以允许充分地分辨陀螺调制信号。

在解调之前，每个速率传感器或者陀螺的输出包括传感器固定偏移和外部施加的角速率的组合。因为调制影响施加的角速率，而不是固定偏移，所以系统能够区别它们。

由于两个信号受输入轴调制的影响不同，所以能够使用相对简单的信号处理来分离两个信号，产生实质上不受陀螺偏移误差或者偏差的典型影响的陀螺输出。与轴的瞬时方位相对应的来自调制传感器的信号与处理电路中的输入轴解调器结合使用，来去除机械调制效应。

时变调制角θ_m能够写为恒定角θ₀和调制振幅m的和，该调制振幅m例如正弦地以角频率ω随时间t改变。因此，θ_m＝θ₀+msin(ωt)。由外部施加的旋转Ω而产生的陀螺G_x的输出信号S_x给出如下：

S_x＝Ωsin(θ_m)＝Ωsin[θ₀+msin(ωt)]。

对角度之和的正弦使用三角恒等式，保持m的二次和更低的项并且增加偏差偏移B_x，关系变为：

S_x＝Ω[sin(θ₀)(1-(1/2)m²sin²(ωt))+cos(θ₀)msin(ωt)]+B_x。

固定偏移B_x不被调制，如果对S_x以频率f＝ω/2π执行同步解调，则仅仅剩余与Ωmcos(θ₀)成正比的项。因为m值从调制器截止(pickoff)信号获知，所以沿着陀螺G_x的输入轴作为外部施加的旋转的分量的Ωcos(θ₀)的值被确定。如果外部施加旋转Ω的幅度也是已知的，则方位角θ₀也是确定的。关于这些计算，对于沿着x′轴的旋转分量和相对于施加旋转的方位角两者，固定偏差偏移B_x清除或者消除。

类似的分析适用于陀螺G_y和输出信号S_y。对于G_y也计算外部施加的旋转的分量，如果该施加的旋转的值已知，则G_y相对于输入旋转的方位角能够确定。用这样的方法，以与用于陀螺G_x的固定偏差相同的方式，也能消除陀螺G_y的固定偏差B_y。

用来自两个陀螺的解调输出，能够确定施加的旋转Ω和方位角θ₀两者的值。如果两个陀螺的解调输出信号指定为S_xd和S_yd，则因为S_xd∝Ωcos(θ₀)，以及S_yd∝-Ωsin(θ₀)，所以

$S_{\mathrm{xd}}^2+S_{\mathrm{yd}}^2\∝{\mathrm{\Ω}}^2,$ 并且

S_yd/S_xd∝-tan(θ₀)。

虽然在图2中外部旋转示出为绕y轴施加，但是该方法对于绕在调制器平面内的轴施加的任意旋转或者对于绕在平面外的轴的旋转的平面内的分量都是有效的。角度θ₀然后解释为从施加旋转的轴至陀螺G_y的输入轴的角度，或者解释为从旋转轴至陀螺G_x的输入轴的角度的余角。

如图3所示，调制器12由包括自动增益控制(AGC)电路的信号生成器16驱动。调制传感器13的输出在调节电路17中处理，以及该调节电路提供反馈信号到信号生成器中的AGC电路以保持调制的振幅在恒定级别。如在图2中，外部施加旋转Ω绕两个陀螺的输入轴的平面中的轴。

两个陀螺的输出施加到一对解调器18、19的输入，以及信号调节电路17的输出施加为对于两个解调器的相位基准。解调器的输出是信号S_xd和S_yd，从信号S_xd和S_yd中确定施加旋转Ω的值和方位角θ₀。

输出信号S_x和S_y能够供应给模拟信号处理电路(未示出)来提供与施加的外部旋转Ω相对应的模拟输出信号，或者，它们能够转换为数字形式并且进行数字处理以过滤、误差补偿、和输出。或者，陀螺和信号调节电路能够提供数字输出，而解调器18、19也可以是数字的。

除仅仅使用单个陀螺G_y，以及信号处理电路17提供两个频率基准输出之外，图4的实施例类似于图3的实施例。那些输出中的一个具有频率ω/2π，并且相当于施加到图3的实施例的解调器的基准信号。它施加到解调器18的基准输入。其它基准输出具有频率ω/π，并且施加到解调器19的基准输入。陀螺G_y的输出施加到两个解调器的信号输入。

解调器18以与图3的实施例相同的方式操作，提供与mΩsin(θ₀)成比例的输出信号S_y1d，与调制的振幅m成线性比例关系。解调器19以两倍的调制器频率操作，并且转换陀螺G_y的输出为信号S_y2d，其与m²Ωcos(θ₀)即调制振幅m的二次方成比例。由于m由信号生成器16控制因而是已知的，因此来自两个解调器的信号能够组合使用，以确定施加的旋转Ω的值和方位角θ₀。

如果希望，通过安装陀螺到分离的调制器上并且用图4中的处理电路来处理每个陀螺的输出，图4的实施例可以扩展至多个陀螺。

通过安装速率感测元件到机械挠曲等等上，也可以把调制器包含入陀螺本身的设计中。然后陀螺和挠曲封装在陀螺的轮廓内。因此，在图5的实施例中，以石英音叉(quartz tuning fork)21形式的速率传感器安装在线卷弹簧22形式的调制器上，音叉的感测轴平行于y轴，调制器围绕与z轴平行的轴振动。

调制器也能够做成是传感器结构的集成部分，其具体适合于很小的陀螺感测元件，诸如那些使用微机电(MEMS)技术由石英或者硅晶片所生产的。因此这样的器件做成适合于要求更高精度、没有高成本或者尺寸增大的应用。

虽然已经描述和说明了调制器是绕垂直于它的平面的轴旋转的平面结构，但是它也能够用其它方式实施，只要它产生一个或多个传感器输入轴的旋转，从而导致那些轴方位的振荡。

本发明具体适合于在陀螺定向应用中使用，在陀螺定向(gyrocompassing)应用中，地球的角速度用来确定北方。在这样的应用中，外部施加的旋转正好是地球的旋转，确定角度θ₀允许系统找到北方。如果系统是当地水准(locallylevel)，或者如果通过使用加速计而获知系统的倾斜，则当由当地水准系统的水平面内的陀螺测量时，从地球速率分量也能够确定纬度。对调制振幅效应的调整能够在系统的校准中进行。本发明在其它惯性应用诸如动态导航中也是有用的。

本发明具有多个重要的特征和优点。通过去除偏差偏移的影响，使得可以使用比较廉价的速率传感器或者陀螺，所述速率传感器或者陀螺的尺寸相对小，但是由于它们的偏差偏移相对大，因此在其它情况下将从使用中排除。更小的传感器使其自身使用更小的调制器，其提供具有改进精度的简洁并且相对便宜的系统。去除或者消除了固定偏差偏移而不产生乱真旋转速率信号，该系统还可以在偏移补偿模型中提供残留误差的消除。

很明显，在上文中，已提供一种新的且改进的惯性测量系统和方法。虽然目前仅仅详细描述某些优选实施例，但是对于本领域技术人员来说，很显然，在没有背离本发明所附的权利要求所限定的范围的情况下，能够进行某些修改和更改。

Claims (20)

1.一种惯性测量系统，包括：基座，根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转；角速率传感器，响应于绕感测轴的旋转，由该基座承载；调制器，用于围绕与感测轴垂直的轴抖动该传感器来按调制频率以振动的方式改变感测轴相对于基座的方位；以及装置，用于按该调制频率来解调来自传感器的信号。

2.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其中，该调制器安装在该基座上，该传感器安装在该调制器上。

3.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其中，该调制频率在几赫兹至几百赫兹的数量级，该抖动的振幅在几毫弧度至几度的数量级。

4.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其中，该调制频率在20-500Hz的数量级，该抖动的振幅在2-50毫弧度的数量级。

5.根据权利要求1所述的惯性测量系统，其中，用于解调来自传感器的信号的该装置还包括装置，用于以该调制频率的两倍来解调来自该传感器的信号。

6.一种惯性测量方法，包括步骤：根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转基座；用具有感测轴的角速率传感器来感测绕该输入轴的旋转；围绕与感测轴垂直的轴抖动该传感器来按调制频率以振动的方式改变感测轴相对于基座的方位；以及以该调制频率来解调来自该传感器的信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，该调制频率在几赫兹至几百赫兹的数量级，该抖动的振幅在几毫孤度至几度的数量级。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，该调制频率在20-500Hz的数量级，该抖动的振幅在2-50毫弧度的数量级。

9.根据权利要求6所述的方法，包括步骤：以该调制频率的两倍来解调来自该传感器的信号。

10.一种惯性测量系统，包括：基座，根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转；第一角速率传感器，响应于绕第一感测轴的旋转，由该基座承载；第二角速率传感器，响应于绕与该第一感测轴共面的第二感测轴的旋转，由该基座承载；调制器，用于围绕与第一感测轴和第二感测轴垂直的轴抖动第一角速率传感器和第二角速率传感器来按调制频率以振动的方式改变第一感测轴和第二感测轴相对于基座的方位；以及装置，用于按该调制频率来解调来自第一角速率传感器和第二角速率传感器的信号。

11.根据权利要求10所述的惯性测量系统，其中，该调制器安装在该基座上，该第一角速率传感器和第二角速率传感器安装在该调制器上。

12.根据权利要求10所述的惯性测量系统，其中，该第一和第二感测轴相互垂直。

13.根据权利要求10所述的惯性测量系统，其中，所述感测轴之一围绕该输入轴抖动。

14.根据权利要求10所述的惯性测量系统，其中，该调制频率在几赫兹至几百赫兹的数量级，该抖动的振幅在几毫弧度至几度的数量级。

15.根据权利要求10所述的惯性测量系统，其中，该调制频率在20-500Hz的数量级，该抖动的振幅在2-50毫弧度的数量级。

16.一种惯性测量方法，包括步骤：根据将要测量的旋转而绕输入轴旋转基座；用具有共面的第一感测轴和第二感测轴的一对角速率传感器来感测绕该输入轴的旋转；围绕与第一感测轴和第二感测轴垂直的轴抖动所述一对角速率传感器来按调制频率以振动的方式改变第一感测轴和第二感测轴相对于基座的方位；以及以该调制频率来解调来自所述一对角速率传感器的信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一感测轴和第二感测轴相互垂直。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述感测轴之一围绕该输入轴抖动。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，该调制频率在几赫兹至几百赫兹的数量级，该抖动的振幅在几毫弧度至几度的数量级。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，该调制频率在20-500Hz的数量级，该抖动的振幅在2-50毫弧度的数量级。

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