CN102648392A - 通过转动惯性设备确定航向的方法 - Google Patents

Abstract

一种借助于惯性设备确定航向的方法，该惯性设备（1）包括至少一个振动角度传感器（3），该振动角度传感器（3）具有与检测器装置相关联的谐振器以及用于将谐振器设定为振动的装置，该装置连接到具有第一操作模式以及第二操作模式的控制单元，在第一操作模式中，振动在谐振器的角度参照系中自由移动，在第二操作模式中，将振动维持在谐振器的参照系中的预先确定的角度，且该方法包括以下步骤：·以第二操作模式控制传感器，以将振动维持在对应于传感器的最小误差值的预先确定的电角度；以及·以第一操作模式控制传感器，以便进行航向测量，且一旦已经进行测量且直到下一测量，以第二操作模式控制传感器，以将振动维持在预先确定的电角度。

Description

通过转动惯性设备确定航向的方法

本发明涉及借助于适于用作例如陀螺仪罗盘以及用于寻北的惯性设备确定航向的方法。

已知借助于惯性设备以测量和定位由地球旋转引起的移动即检测东/西方向的方式确定航向。

这样的惯性设备包括振动角度传感器，该振动角度传感器具有与检测器装置相关联的谐振器和用于将谐振器设定为振动的振动装置（该装置连接到控制单元）。振动装置利用高电压。

可以通过以自由陀螺仪操作模式控制角度传感器来确定航向，在自由陀螺仪操作模式中，其振动在谐振器的角度参照系中是自由的。振动在地球旋转的影响下移动，且检测振动的角度移动以便定北。由于自由陀螺仪操作模式允许在大范围上测量，它呈现稳定的尺度因子，且它很少依赖于高电压的品质，因此这种操作模式是有益的。然而，在这种操作模式中，存在使用模数转换器的非线性偏移结果，这增加了所检测的信号中连续性的缺乏。这些误差降低了性能，尤其是在0°、90°、180°、270°的邻近，这是因为测量的处理依赖于这些角度的正弦和余弦。

也可以通过以速率陀螺仪模式控制角度传感器来确定航向，在速率陀螺仪模式中，其振动被维持在谐振器的参照系中的预先确定的角度。检测将振动维持在所述角度而不考虑地球旋转的影响所需要的能量以便定北。由于这种操作模式呈现对给定电角度稳定的偏差，因此这种操作模式是有益的，但相反，它呈现对高电压的品质敏感的比例因子。

本发明的目标是提供用于进一步改善借助于惯性设备检测航向时的性能的装置。

为实现这一目标，本发明提供借助于惯性设备确定航向的方法，该惯性设备包括至少一个振动角度传感器，该振动角度传感器具有与检测器装置相关联的谐振器以及用于将谐振器为设定为振动的装置，该装置连接到具有第一操作模式和第二操作模式的控制单元，在第一操作模式中，振动在谐振器的角度参照系中自由移动，在第二操作模式中，将振动维持在谐振器的参照系中的预先确定的角度，且该方法包括以下步骤：

·以第二操作模式控制传感器，以将振动维持在对应于传感器的最小误差值的预先确定的电角度；以及

·以第一操作模式控制传感器，以进行航向测量，并且一旦已经进行该测量且直到下一测量，以第二操作模式控制传感器，以将振动维持在预先确定的电角度。

因而，只要惯性设备未接收到测量命令，角度传感器就作为速率陀螺仪操作，且当执行测量时作为自由陀螺仪操作。以速率陀螺仪模式的操作用于将振动维持在传感器呈现最佳性能的角度。在测量期间，传感器被控制为以自由陀螺仪模式操作，由于所测量的角速度是小的（每小时15度），且由于在短的时长（大约两分钟）内进行测量，因此振动保持接近所选择的角。因而，可能获得优良的测量精度。

优选地，检测器装置经由至少一个模数转换器连接到控制单元，且因变于转换器的动态范围来选择最小误差值。

这构成对传感器的性能有主要影响的误差。

有利地，该方法包括预先校准步骤，在预先校准步骤中，对不同的振动角执行一系列测量，且从该系列测量选择最小误差值。

校准步骤使得确定对所讨论的传感器和实际测量条件专属的最小误差值成为可能。

也优选地，在从第二操作模式到第一操作模式的转换后的稳定时间之后执行测量。

这使得限制速率陀螺仪操作模式对自由陀螺仪模式的测量的不期望的影响（电荷的惯性）成为可能。

在阅读本发明的特定的非限制性实现的下列描述之后，可看出本发明的其他特性和优点。

对唯一附图进行引用，该图是用于实现本发明的方法的惯性设备的图。

参考附图，借助于惯性设备实现本方法，该惯性设备被给予全局附图标记1，且包括以常规方式配备有附图标记为3的振动角度传感器的平台2（以点划线图示）。振动角度传感器3的结构本身是已知的。出于描述本发明的方法的需要，在此描述振动角度传感器3的结构的一些细节。振动角度传感器3包括配备有电极的二氧化硅材料的轴向对称的谐振器，电极以激励模式工作，以将谐振器设定为振动，使得其振动相对于垂直于振动角度传感器3的参考轴的轴对称，且具有围绕该参考轴的角位置，当通过以适当的方式在电气上控制电极以速率陀螺仪模式控制传感器时（被称为“进动（precession）”控制），该角位置可调节。也以检测模式使用电极，以便确定振动的角位置。当以自由陀螺仪模式使用角度传感器时，绕轴振动的定向是自由的，且振动的移动可以被用来获得关于传感器的角移动的信息。

惯性设备被安装在旋转设备10上，旋转设备10具有由轴座12支撑的转台11，轴座12允许转台11围绕与其垂直的轴转动。轴座12包含有用于围绕旋转轴调整转台的角的角度调整系统13。这种类型的角度调整系统本身是已知的，且例如出现在机床的刻度盘中。作为示例，角度调整系统可以包括用于将转台锁定在预先确定的位置的装置（借助于锁定元件，例如包括固定到转台11且适于啮合到在旋转设备的轴座12的固定机壳中的预先确定的位置处形成的凹槽中的径向螺栓）。转台11水平放置，例如借助于固定到旋转设备10的气泡水准仪。旋转设备优选地包括用于驱动转台11旋转的电动机。在一种变体中，如果惯性设备1包括加速度计，则它们可以用于确定旋转设备的转台和紧固到旋转设备的转台的惯性设备的倾角，且使得可以以常规方式考虑将该倾角用于水平定位惯性设备或确定航向。

振动角度传感器3连接到控制单元5，控制单元5被安排为控制振动角度传感器3并恢复和使用来自振动角度传感器3的信号。

控制单元5被安排为执行惯性设备在陀螺仪罗盘模式下的控制程序。该程序实现根据本发明的用于确定航向尤其对北的方法。

该方法包括以下步骤：

·以速率陀螺仪模式控制传感器，以将其振动维持在对应于传感器的最小误差值的预先确定的电角度；

·以自由陀螺仪模式控制传感器，以测量航向，并且一旦已经进行测量且直到下次测量，以速率陀螺仪模式控制传感器，以将振动维持在预先确定的电角度。

在从速率陀螺仪模式切换到自由陀螺仪模式之后，在已经经过稳定时间之后执行测量，以便允许角度传感器及其振动稳定。

检测器装置通过至少一个模数转换器连接到控制单元5，且因变于转换器的动态范围来选择最小误差值。在本示例中，最小误差值是大约45°。

在一种变体中，本发明的方法包括预先校准步骤，该步骤中，在不同的振动角执行一系列测量，且基于该系列测量选择最小误差值。

在另一变体中，测量操作事实上包括三次连续测量，且包括以下步骤：

·将惯性设备1依次放置在绕垂直轴Z的三个角定向或位置；

·对于每一角位置，将振动角度传感器3的电角度调整在预先确定的最小误差值并测量航向；以及

·基于航向测量和在角位置之间的角度确定航向。

三个角位置彼此偏移120°，且通过引起转台转动以将惯性设备依次定位在这三个位置来实现它们。当转台在每一位置保持静止时，将电角度重新设定在预先确定的位置并进行测量。

预先确定的电角度值对惯性设备的所有角位置是相同的。如先前一样选择电角度的值，以便具有最小误差值。

对于每一位置，通过作用于进动控制，对于各测量，将电角度设定为相同的值（在改变惯性设备的位置期间和/或在此之后）。

检测来自振动角传感器3的信号，且然后确定传感器的相应的漂移。以已知方式计算振动角传感器的漂移。

在第一位置进行测量之后，将惯性设备移动到后面的位置。

然后，在振动角传感器3上调整电角度，以便获得与第一测量相同的值。

检测来自振动角传感器3的信号，且然后确定传感器的相应漂移。

然后，在第三位置重复该操作。

在上面详细描述的示例中，随后通过以下确定航向：通过确定角速度测量相对于测量位置（1、2和3）的相关性。

第三测量位置也可以用于消除与传感器的偏差相对应的平均测量误差。

作为示例，通过以下初始地确定航向：通过测量惯性设备的每一角位置的角速度，以便当传感器被放置在其三个角位置角度1、角度2和角度3（惯性设备1的三个位置）时，分别获得角速度1、角速度2和角速度3。

此后，计算下列回归量：

角速度i＝A*cos(角度i)+B*sin(角度i)+C

对于i＝1，2，和3（三个未知量的三元方程组的系统）；其中：

·C是不考虑惯性设备的位置即传感器的偏差的平均测量误差，且从计算中排除了该传感器的偏差；以及

·A和B用来通过计算正切确定航向。

自然，本发明不限于所描述的特定实现，而是也覆盖落在本发明的范围内的任何变体，本发明的范围由权利要求界定。

尤其，惯性设备可以具有某种数量的振动角度传感器或加速度计，但惯性设备仍然必须具有至少一个振动角度传感器。

在一种变体中，使用相差180°的两个位置或相差90°的四个位置或甚至更多位置是可能的。

Claims (6)

1.一种借助于惯性设备（1）确定航向的方法，所述惯性设备（1）包括至少一个振动角度传感器（3），所述振动角度传感器（3）具有与检测器装置相关联的谐振器以及用于将所述谐振器为设定为振动的装置，所述装置连接到具有第一操作模式和第二操作模式的控制单元，在所述第一操作模式中，使所述振动在谐振器的角度参照系中自由移动，在所述第二操作模式中，将所述振动维持在所述谐振器的所述参照系中的预先确定的角度，且所述方法包括以下步骤：

·以所述第二操作模式控制所述传感器，以将所述振动维持在对应于所述传感器的最小误差值的预先确定的电角度；以及

·以所述第一操作模式控制所述传感器，以进行航向测量，并且一旦已经进行所述测量且直到下一测量，以所述第二操作模式控制所述传感器，以将所述振动维持在所述预先确定的电角度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测器装置经由至少一个模数转换器连接到所述控制单元，且因变于所述转换器的动态范围来选择所述最小误差值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最小误差值是大约45°。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括预先校准步骤，在所述预先校准步骤中，对不同的振动角度执行一系列测量，且从所述一系列测量中选择所述最小误差值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在从所述第二操作模式到所述第一操作模式的转换后的稳定时间之后，执行所述测量。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述角度传感器被设定在不同定向下执行多次测量，在每次测量之前将所述振动维持在相同的预先确定的电角度。

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