CN101802552B - 确定轴向对称振动传感器转速的方法及实施其的惯性装置 - Google Patents

Abstract

确定第二阶轴向对称振动传感器转速的方法包括如下步骤：在相对于电极的N个振动位置处连续地计算转速，各位置几何上偏离预定的角度，通过施加运动指令同时使用预先确定的比例因子，使所述振动从一个位置移动到另一位置；以及取N个位置处求得的转速的平均值(15)；位置的数量N和各位置之间的角度使得计算平均值用来消除振动的谐波漂移的至少一个分量。

Description

确定轴向对称振动传感器转速的方法及实施其的惯性装置

技术领域

本发明涉及确定轴向对称振动传感器转速的方法，并涉及包括轴向对称振动传感器的对应的惯性装置。具体来说，本发明涉及在振动位置呈现角度漂移的传感器，该振动位置调和地(harmonically)取决于所述振动相对于装置外壳的位置。

背景技术

为了确定运载器的定向，尤其是为了为飞机导航，已知能够利用一种具有一个或多个轴向对称振动传感器的惯性装置，每个传感器利用具有对称性的谐振器，振动阶次等于或大于4，并实施两个相同而正交的衰减振动模态，并呈现相对于对称轴线的具有n阶周期性的变形，即，在围绕对称轴线的一全周的回转中，变形呈n次同样的振动模式。尤其是，已知可利用诸如半球形钟形振动传感器那样的第二阶传感器，传感器具有合适数量的电极或夸普森(quapason)，其中，两模态的振动方向几何上不正交，但模态正交，即，振动方向模态上偏移π。

还已知，轴向对称振动传感器适于以自由陀螺模态或速度陀螺模态操作。在自由陀螺模态中，振动持续但其位置任其自由；当运载器的定向变化时，相对于底部的振动位置代表着运载器所转过的角度。

在速度陀螺模态中，振动持续而其相对于底部的位置通过施加合适的电子指令而保持固定；正是这些指令值在惯性空间中代表着运载器的转速。

还已知，振动陀螺仪具有漂移误差。当陀螺仪在速度陀螺模态中操作时，即使运载器不经受任何转动，振动位置的变化也表明了其漂移误差。该漂移有两个分量，即恒定(或DC)分量和称之为“交变”漂移分量的分量，对于半球形谐振器陀螺仪来说，恒定分量是每小时百分之几度的量级，交变分量由谐波组成，主要是由与振动传感器同样阶数n的谐波和阶数是振动传感器阶数两倍的谐波组成，该分量取决于振动的位置。对于半球形谐振器陀螺仪来说，n阶谐波产生的漂移误差，其量级为每小时1度，2n阶谐波产生的漂移误差，其量级为每小时1/10度。

已知可在车间内校准陀螺仪，以便建立起陀螺仪使用时可被使用的对应表。然而，漂移误差不仅是振动位置的函数，而且是环境温度和陀螺仪老化程度的函数。因此，实践中校正的可能性是有限的。

发明内容

本发明的目的是确定轴向对称振动传感器的转速，同时最大程度地减小漂移误差。

为了达到该目的，本发明提出一种确定轴向对称振动传感器转速的方法，该振动传感器具有与控制电极和探测电极关联的振动构件，以产生呈现变形的振动，该变形具有n阶的周期性且具有可变的位置，该位置是传感器转速的函数。该方法包括如下步骤：

-在相对于电极的数量为N的振动位置处连续地计算转速，各位置几何上偏离预定的角度，通过施加运动指令同时使用预先确定的比例因子，使振动从一个位置移动到另一位置；以及

-取N个位置处求得的转速的平均值；

位置的数量N和位置之间的角度应使得计算平均值用来消除振动的谐波漂移的至少一个分量。

谐波带来的误差与其幅值相关，谐波的相位取决于振动位置。因此，通过求多个位置处计算速度的平均值，就能利用幅值之和为零的诸位置来消除谐波的影响，给定这些位置处的谐波相位，例如其中谐波具有绝对值相同的幅值但相位相反的那些位置。因此，不管温度和传感器老化程度如何，都可将漂移误差减到最小。

较佳地，对N个振动位置计算速度，诸位置之间的角度差与位置的数量N相关，并与振动模态变形的阶数n相关，应用公式：

诸位置之间的角度位置＝2π/Nn

因此，如下给出由N个位置得到的两个连续位置之间的角度差；

-对于N＝2为π/n

-对于N＝3为2π/3n

-对于N＝4为π/2n

-等。

在特殊实施例中，对两个振动位置计算速度，即，第一位置和相对于第一位置偏移角度π/n的第二位置。

这消除n阶谐波的影响。对于偏移π/n的两个振动位置，n阶谐波具有绝对值相等但符号相反的幅值，这样，通过求偏移π/n的两个几何位置中计算值的平均，模态偏移是π，以使由n阶谐波引起的误差幅值可被抵消。

根据本发明该实施例的有利方面，对两个另外的振动位置计算速度，即，在几何上相对于第一位置偏移π/2n和3π/2n的位置。

这不仅消除了n阶谐波的影响，而且消除了2n阶谐波的影响。在几何上偏移π/2n的位置和几何上偏移3π/2n的位置之间，模态偏移是π，以使n阶谐波按如上所述可被消除。此外，对于初始位置和几何上偏移π/n的位置，2n阶的谐波产生幅值相等符号相同的漂移误差，但对几何上偏移π/2n和3π/2n的位置，2n阶的谐波产生与初始位置的漂移误差幅值相等但符号相反的漂移误差。通过求四个计算值的平均，由此可消除2n阶谐波引起的误差。

在第二实施例中，对三个振动位置计算速度，即，第一位置、相对于第一位置偏移2π/3n的第二位置、以及相对于第一位置偏移4π/3n的第三位置。

根据与上述相同的原理，使用三个位置可使n阶尤其是2n阶谐波被消除。

借助本发明，且由于恒定分量和幅值相当小的较高阶的谐波，残余的漂移误差因此很小。然后，在装置初始校准过程中，该误差可被补偿，仅起初很小并被补偿的值的变化将会干扰装置转速的测量。

用来测量振动角度位置的电子编码器所产生的线性误差在输入值为零时最大，于是，适于将测量转速的角度选择成避免让探测电极输出零值信号(这些信号输入到角度编码器)。

一般来说，在N个位置上求平均，能消除数列2kN的谐波之外的所有谐波，其中，k是任意整数。

在半球形振动陀螺仪用于第二阶变形的特殊情形中，即，n＝2：

-选择两个角度位置θ0和θ2＝θ0+90°，用来消除2、6、10、14、18、20阶谐波；

-选择三个角度位置θ0和θ4＝θ0+60°和θ5＝θ0+120°，用来消除2、4、8、10、14、16、20阶谐波；以及

-选择四个角度位置θ0、θ1＝θ0+45°、θ2＝θ0+90°和θ3＝θ0+135°，用来消除2、4、6、10、12、14、18、20阶谐波。

应该看到，选择三个位置是特别地合适，因为能够用较少数量的位置来消除第二和第四阶的谐波，它们是最有利于交替漂移的谐波，还消除次重要的较大数量的谐波。

还合适地观察到，如上所述，本发明取决于由于谐振器的谐波的漂移产生的不同振动位置之间测得的转速差：因此，在全部测量中，施加到传感器的转速必须恒定不变，因为否则的话谐波漂移项不能抵消掉。然而，实际的限制是要知道对应于进行测量的时间段之间的转速差，恒速只不过是差为零的特殊情形。

本发明还提供用来实施本发明方法的惯性装置。该惯性装置包括：具有与控制电极和探测电极关联的振动构件的轴向对称的振动传感器；激励电极以产生振动的装置；在相对于电极的N个振动位置的每个位置处计算传感器转速的装置；施加运动指令同时使用预先确定的比例因子直到振动达到N个位置中每个位置的装置；以及求取N个振动位置中计算的传感器转速之间平均值的装置。

附图说明

阅读以下参照附图给出的对本发明具体的、非限制性的实施例的说明，可理解本发明其它的特征和优点，附图中：

图1是沿图2中线I-I截取的轴向示意截面图，显示半球形钟形振动传感器；

图2是沿图1中线II-II截取的截面图；

图3是流程图，示出本发明方法的实施例及其各种应用；

图4是曲线图，示出第二阶谐波和第四阶谐波的幅值，它们是相对于参照电极振动位置的函数；以及

图5是地球图和振动传感器示意图，示出寻找北极的本发明应用。

具体实施方式

参照图1和2，图中示出使用带有第二阶变形的振动传感器的本发明的惯性装置。该装置包括半球形钟形振动传感器7，其包括以已知方式安装在底部2上的钟1，底部2也由硅石(silica)制成，钟1由密封外壳3围住，该外壳3用来将传感器置于真空中。

还以已知的方式，钟1内表面镀以金属，其底部边缘也镀以金属，该底部边缘面向适当地连接到控制和探测单元6的两对控制电极4和两对探测电极5，以便产生如图2中点划线所表示的振动11，且振动11的位置由相对于参照电极5的角度θ表示。通过对控制电极4施加运动指令，控制单元6控制振动11的位置。

参照图3，本发明方法的优选实施例包括第一步骤8，该步骤将振动定位在第一位置θ0。

该方法包括对于振动的第一位置θ0，计算传感器转速的步骤9。可在自由陀螺模态中或在速度陀螺模态中使用陀螺仪以已知方式进行该转速的计算。

对于自由陀螺模态，在短时间内对振动位置进行一系列测量，在此期间，振动运动相对于其第二和第四阶谐波的周期来说很小。尤其是，在实施该方法来寻找北极的应用中，陀螺仪最好相对于地球表面静止，以使陀螺仪的最大转速就是地球的转速，即，每小时15°(°/h)的转速。对于传感器转速的测量，其在10秒的时间段内以自由模态进行，因此，振动位置中的振动完全可被忽略。

为了避免振动位置中的任何变化，并为了能避免由于振动位置的错误编码引起的误差，最好在速度陀螺模态中并在低转速下进行计算，尽管比例因子不如在自由陀螺模态中精确。

然后，执行修改振动位置的步骤10，其对控制电极4施加运动指令，然后在步骤13计算修改位置中的传感器转速。在优选的第一实施例中，将振动放置14在三个修改位置θ1、θ2和θ3，它们在几何上分别从初始位置θ0偏离，以定位在角度θi＝θ0+iπ/2n，其中i是范围在1至3内的整数，这意味着，若取n＝2，则偏离角为45°、90°和135°。

然后在步骤15对各计算得到的传感器转速求平均。如图4所示，位置θ2相对于初始位置θ0偏离90°，该位置θ2处的第二阶谐波的幅值A22绝对值等于位置θ0处第二阶谐波幅值A20，但两幅值符号相反。

同样地，振动位置θ3处的第二阶谐波的幅值A23与位置θ1处的第二阶谐波的幅值A21绝对值相等但符号相反。因此，当求平均时，由第二阶谐波引起的漂移误差成对地抵消。

就第四阶谐波来说，角度θ1和θ3处位置的幅值A41和A43与角度θ0和θ2处振动位置的幅值A40和A42绝对值相等但符号相反。求平均时这四个值彼此补偿。

在第二优选实施例中，将振动置于两个修改位置θ4和θ5，该两个位置在几何上分别偏离于初始位置θ0，以便定位在角度θ4＝θ0+π/3和θ5＝θ0+2π/3，给出偏离为60°和120°。

如上所述，对每个位置θ0、θ4和θ5计算传感器的转速，然后在传感器各个求得的转速之间取平均。如图4所示，位置θ4和θ5处的第二阶谐波相对于位置θ0符号相反，且位置θ4和θ5处的第二阶谐波的幅值A24和A25之和绝对值等于位置θ0处第二阶谐波的幅值A20。因此，幅值A20、A24和A25之和为零。同样地，位置θ4和θ5处的第四阶谐波与位置θ0处的符号相反，且位置θ4和θ5处的第四阶谐波的幅值A44和A45之和绝对值等于位置θ0处第四阶谐波的幅值A40。因此，幅值A40、A44和A45之和为零。

当取平均时，由于第二和第四阶谐波引起的漂移误差抵消。

事实上，在这两个实施例中，某些较高阶的谐波同样地以与第二和第四阶谐波相同的方式消去。

因此：

-选择两个角度位置θ0和θ2＝θ0+90°，用来消除2、6、10、14、18、20阶谐波；

-选择三个角度位置θ0和θ4＝θ0+60°和θ5＝θ0+120°，用来消除2、4、8、10、14、16、20阶谐波；以及

-选择四个角度位置θ0、θ1＝θ0+45°、θ2＝θ0+90°和θ3＝θ0+135°，

用来消除2、4、6、10、12、14、18、20阶谐波。

在两个实施例中，可考虑偏离位置来选择初始位置，这样，在每个位置中，对应的探测信号具有不等于零的值，以提高将由探测电极5传送的模拟信号转换为数字信号的质量。

举例来说，对于每秒5°(°/s)速率的运动，它花费约10秒时间来修改振动位置变化经过45°。为了计算给定位置中的转速，还需要大约15秒时间。因此当计算四个位置中的转速时，必需花费100秒的总计算时间。通过计算仅两个位置中的转速，第一计算对应于第一位置θ0，而第二计算对应于相对于第一位置偏离90°的第二位置θ2，由此以精度稍许损失的代价来减少该时间。在如此情况下，可消除第二阶谐波的误差，而保持第四阶谐波的误差。然而，在此情形中，可以观察到，图4中为了便于理解自动地夸大了第四阶谐波，与图4中所示相反，所述第四阶谐波的幅值远小于第二阶谐波数。对于半球形谐振陀螺仪，第二阶谐波可引起每小时1度的漂移，而第四阶谐波可引起每小时1/10度的漂移。

在此情形中，可以看到，第二和第四阶谐波的幅值仅在某些条件下直接地补偿掉，这样的条件是：在用来计算陀螺仪转速的全部测量时间内，陀螺仪转速恒定不变。

当陀螺仪转速不恒定时，但它仍可以利用本发明。在此情形中，有这样一个装置就可以了：该装置在步骤18测量转速的变化并根据各个位置计算得到的这种转速变化进行代数推导。举例来说，由连接到平行于振动传感器7的控制和探测单元6的远程陀螺仪19来实行这些步骤。远程陀螺仪19对于速度的绝对值测量精度较差，但对于测量非常短时间内的差值却有良好的精度。

远程陀螺仪19最好通过对某一时间段上测得的变化进行积分而实施其操作，该时间段与对应于积分由振动传感器测得的转速的时间相一致。通过求积分之和并除以测量转速的总时间，就可非常简单地得到平均值，该平均值给出转速最终计算。

本发明方法特别用来改进对以下各种应用的实施：利用对恒定转速的计算的应用，尤其是，寻找北极或相对于参照元件对准的应用。

图3和5示出当含有振动传感器1的惯性装置相对于地球16为静止时寻找北极的应用。假定地球围绕其南北极轴线转动，振动传感器1的对称轴线平行于穿过传感器的纬线17的切线，即，沿东-西方向，该振动传感器1不能感测出任何转动。根据传感器经受的转速不是零的定向，实施该应用的方法通常包括步骤20和步骤21，步骤20比较传感器的转速与参照元件的转速，即，地球对地面上运载器的转动，步骤21通过应用三角公式来确定传感器的定向，该三角公式给出了作为传感器定向的函数的振动传感器的转动分量。使用本发明的方法计算转速所采取的精度，能够以提高的确定北极的精度来实施该应用。为了在确定北极时获得更高精度，陀螺仪的对称轴线最好近似地沿东-西方向放置。

当在导航之前对准惯性装置时，该惯性装置最好具有三个振动传感器，它们的轴线沿着正交方向设置。

在本发明的又一方面，修改振动位置以计算转速，这提供在运动指令和振动位置的变化之间进行比较的可能性，并在步骤23计算更新的比例因子，该因子可立即用来计算振动传感器的转速。

本发明方法的各种步骤最好用软件来执行，软件被包含在控制单元6内，该控制单元形成带有振动传感器的惯性装置。

当然，本发明并不限于所述的这些应用，本发明可经受本技术领域内的技术人员所想到的各种实施例变体，而不超越由权利要求书所定义的本发明的范围。

尤其是，尽管针对相对于地面为静止的振动传感器，描述了各种应用，但本发明方法也可用于惯性装置安装在一个相对于地面移动的运载器内的情形。

尽管本发明参照第二阶(n＝2)的陀螺仪进行描述，但本发明同样适用于高阶的陀螺仪。诸位置之间的角度差取决于位置的数量和振动模态变形的阶数n，在此情况下，角度差具有的值为2π/Nn，即：

-对于N＝2为π/n

-对于N＝3为2π/3n

-对于N＝4为π/2n

-等。

Claims (15)

1.一种确定轴向对称振动传感器(7)转速的方法，所述振动传感器具有与控制电极(4)和探测电极(5)关联的振动构件(1)，以便产生呈现变形的振动，所述变形具有n阶的周期性，且所述振动具有可根据所述传感器的转动变化的位置(θ)，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

-在相对于所述探测电极(5)的N个振动位置处连续地计算所述转速，N＞＝2，所述N个振动位置几何上偏离经过预定的角度，通过施加运动指令同时使用预先确定的比例因子，使所述振动从一个位置移动到另一位置；以及

-取所述N个位置处计算的转速的平均值(15)；

位置的所述数量N和所述N个振动位置之间的所述角度使得计算平均值用来消除所述振动的谐波漂移的至少一个分量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对N个振动位置计算所述转速，所述位置之间的所述角度差与位置的所述数量N相关，并与所述振动模态变形的阶数n相关，应用公式：

各位置之间的角度位置＝2π/Nn。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在N＝2的情况下，对这两个振动位置计算所述转速，即，第一位置(θ0)和相对于所述第一位置偏移角度π/n的第二位置。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在N＝4的情况下，对这四个振动位置计算所述转速，即，在几何上相对于所述第一位置偏移π/2n和3π/2n的位置。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在N＝3的情况下，对这三个振动位置计算所述转速，即，第一位置(θ0)、相对于所述第一位置偏移角度2π/3n的第二位置，以及相对于所述第一位置偏移4π/3n的第三位置。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括预先步骤：将所述振动的定位占据的角度选择成使对应的探测信号具有非零值。

7.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

-比较(22)所述运动指令和实际对应角度；以及

-从所述比较中推导出对所述比例因子的更新值(23)。

8.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

-测量(18)所述传感器转速的变化；以及

-从测得的所述变化中作代数推导，同时确定所述计算转速的平均值。

9.一种惯性装置，包括：具有与控制电极(4)和探测电极(5)关联的振动构件(1)的轴向对称的振动传感器(7)；激励所述传感器以产生振动的装置(6)，其特征在于，所述惯性装置包括在相对于所述探测电极(5)的N个振动位置的每个位置处计算所述传感器转速的装置(9)，N＞＝2；使用预先确定的比例因子施加运动指令(10)直到所述振动达到N个位置中的每个位置的装置；以及求取所述N个振动位置中计算的所述传感器转速之间平均值的装置(15)。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，对N个所述振动位置计算所述转速，所述位置之间的所述角度差与位置的数量N相关，并与所述振动模态变形的阶数n相关，应用公式：

所述位置之间的角度位置＝2π/Nn。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，在N＝2的情况下，在这两个振动位置进行计算：第一位置(θ0)和相对于所述第一位置偏移角度π/n的第二位置。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，在N＝4的情况下，对这四个振动位置进行计算，所述两个另外的振动位置相对于所述第一位置偏移π/2n和3π/2n的位置。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，在N＝3的情况下，对这三个位置进行计算，即，第一位置(θ0)、相对于所述第一位置偏移2π/3n的第二位置、以及相对于所述第一位置偏移4π/3n的第三位置。

14.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括：

-用来比较每个运动指令和对应的实际角度变化的装置(22)；以及

-用来对推导出所述比例因子更新值的装置(23)。

15.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置包括：

-用来测量所述传感器转速变化的装置(19)；以及

-用来从求取计算的转速平均值过程中所测得的所述变化中作代数推导的装置。

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