CN105783899A - 具有原位偏差自校准的高带宽科里奥利振动陀螺仪(cvg) - Google Patents

Abstract

本申请公开一种用于确定科里奥利振动陀螺仪即CVG的偏差补偿的惯性旋转速度的方法。该方法包含：确定CVG正在操作的初始模式；获得来自从先前的模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值；获得来自先前的模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值；确定给定轴线的AGC模式和FTR模式之间的第一转换；基于确定的第一转换和来自先前的模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值计算CVG的第一偏差估计；以及基于计算的第一偏差和来自先前的模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值通过处理器计算CVG的第一偏差补偿的惯性旋转速度。

Description

具有原位偏差自校准的高带宽科里奥利振动陀螺仪(CVG)

技术领域

本公开总体涉及科里奥利振动陀螺仪，且具体地涉及用于电子地补偿科里奥利振动陀螺仪的偏差的方法和装置。

背景技术

陀螺仪用于测量和/或维持方向。如本文中所用的，“陀螺仪”是经配置以检测和测量目标相对于惯性参考系的角运动的传感器。进一步地，如本文中所用的，“惯性参考系”可以是非加速的坐标系或一组轴线。换言之，惯性参考系是在其内牛顿第一运动定律为正确的参考系。牛顿第一运动定律阐明物体的速度保持恒定，除非外力作用于物体。

科里奥利振动陀螺仪(“CVG”)经配置以被驱动为沿第一轴线振动。当科里奥利振动陀螺仪围绕并未与驱动轴线共校准(例如，垂直于驱动轴线)的固定输入轴线旋转时，沿第一轴线的振动产生科里奥利力，该科里奥利力引起沿第二轴线的振动。这些振动可以被测量并用于确定科里奥利振动陀螺仪围绕固定输入轴线旋转的角速度。

然而，偏差可以有助于角速度的测量。偏差可以是由于诸如，例如但不限于，温度、部件不一致和其它合适因素的因素引起的测量误差。在陀螺仪的制造期间这些陀螺仪的校准可以比期望的更不精确。

例如，相比于大量的实时数据，在制造过程期间这些陀螺仪的校准可以使用测试数据。特别地，这些校准技术可能未考虑陀螺仪正被操作的环境中的温度和/或从陀螺仪被制造的时间处开始可以随时间而形成的不一致的影响。进一步地，用于补偿这种偏差的一些当前可用的系统可能无法将这些振动测量值的偏差减小至选择公差内。

因而，将期望具有考虑上述问题中的一个或多个以及可能的其它问题的方法和装置。

发明内容

根据本公开的各个方面，公开了用于确定科里奥利振动陀螺仪(“CVG”)的偏差补偿的惯性旋转速度的方法。CVG包含振动构件、控制器、耦接至振动构件并围绕CVG的驱动轴线布置的第一致动器和耦接至振动构件并围绕CVG的感测轴线布置的第二致动器，其中驱动轴线和感测轴线在模态参考系中彼此正交且其中第一致动器控制信号和第二致动器控制器信号可操作地在自动增益控制(“AGC”)模式和力再平衡(“FTR”)模式之间切换。该方法能够包含：确定CVG正在操作的初始模式；获得来自先前模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值；获得来自先前模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值；确定给定轴线的AGC模式和FTR模式之间的第一转换；基于确定的第一转换和来自先前模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值计算CVG的第一偏差估计；以及通过处理器，基于计算的第一偏差和来自先前模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值来计算CVG的第一偏差补偿的惯性旋转速度。

在一些方面中，该方法进一步包含：确定给定轴线的AGC模式和FTR模式之间的第二转换；基于确定的第二转换和来自先前模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值计算CVG的第二偏差估计；以及基于计算的第二偏差和来自先前模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值计算CVG的第二偏差补偿的惯性旋转速度。

在一些方面中，该方法进一步包含：提供信号以控制给定轴线的AGC模式和FTR模式之间的转换。

在一些方面中，信号可操作地切换第一致动器控制信号和第二致动器控制信号。

在一些方面中，第一偏差基于来自在第二轴线和第一轴线上操作的FTR模式的FTR测量值而被计算。

在一些方面中，确定第一转换的结果是从给定轴线的AGC模式到FTR模式的转换，该方法进一步包含：通过从最后计算的平均偏差中减去新的平均偏差而确定更新的偏差估计。

在一些方面中，确定第一转换的结果是从给定轴线的FTR模式到AGC模式的转换，该方法进一步包含：通过从新的平均偏差中减去最后计算的平均偏差而确定更新的偏差估计。

在一些方面中，确定更新的偏差补偿的惯性旋转速度进一步包含：从针对AGC模式计算的第一偏差估计中减去偏差的惯性旋转速度。

在一些方面中，确定更新的补偿偏差的惯性旋转速度进一步包含：将有偏差的惯性旋转速度添加至针对FTR模式计算的第一偏差估计。

在一些方面中，所公开的科里奥利振动陀螺仪(“CVG”)包含：振动构件；控制器；第一致动器，其电耦接至振动构件并且围绕CVG的驱动轴线布置并且可操作以获得来自控制器的控制信号并且提供足以引起并维持振动构件在第一振荡模式下振动的电压；第二致动器，其电耦接至振动构件并且围绕CVG的感测轴线布置并且可操作以检测基于由CVG围绕旋转轴线的旋转引起的振动构件的第二振荡模式的电压和提供足以使基于第二振荡模式的电压为零的平衡(counter-balancing)信号，其中感测轴线在模态参考系中正交于驱动轴线，其中控制器可操作以执行该方法，所述方法包含：确定CVG正在操作的初始模式；获得来自从先前的模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值；获得来自先前的模式转换周期的平均偏差测量值；确定AGC模式和FTR模式之间的第一转换；基于确定的第一转换和来自先前的模式转换周期的平均偏差测量值计算CVG的第一偏差估计；以及基于计算的第一偏差和来自先前的模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值通过处理器计算CVG的第一补偿偏差的惯性旋转速度。

在一些方面中，控制器进一步可操作以执行该方法，所述方法包含：确定给定轴线的AGC模式和FTR模式之间的第二转换；基于确定的第二转换和来自先前的模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值计算CVG的第二偏差估计；以及基于计算的第二偏差和来自先前的模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值计算CVG的第二补偿偏差的惯性旋转速度。

在一些方面中，控制器进一步可操作以执行该方法，进一步包含：提供信号以控制给定轴线的AGC模式和FTR模式之间的转换。

在一些方面中，信号可操作以切换第一致动器控制信号和第二致动器控制信号。

在一些方面中，第一偏差基于来自在第二轴线和第一轴线上操作的FTR模式的FTR测量值而被计算。

在一些方面中，确定第一转换的结果是从给定轴线的AGC模式到FTR模式的转换，该方法进一步包含：通过从最后计算的平均偏差中减去新的平均偏差而确定更新的偏差估计。

在一些方面中，确定第一转换的结果是从给定轴线的FTR模式到AGC模式的转换，该方法进一步包含：通过从新的平均偏差中减去最后计算的平均偏差而确定更新的偏差估计。

在一些方面中，，确定更新的补偿偏差的惯性旋转速度进一步包含：从针对AGC模式计算的第一偏差估计中减去偏差的惯性旋转速度。

在一些方面中，，确定更新的补偿偏差的惯性旋转速度进一步包含：将有偏差的惯性旋转速度添加至针对FTR模式计算的第一偏差估计。

附图说明

附图并入并组成本说明书的一部分，其图示说明本教导的实施例并且与本描述一起用于解释本教导的原理。在附图中：

图1是根据说明性实施例的陀螺仪的功能模型的图示；

图2是根据说明性实施例的陀螺仪的元件的轨道的图示；

图3示出根据本教导的示例CVG模型；

图4A-4D示出根据本教导的CVG的驱动轴线和感测轴线的示例模式切换，其能够用于校正第二模式致动/敏感元件(pickoff)未对准；

图5A-5C示出根据本教导的模式切换的示例时间顺序；

图6示出根据本教导使用模式切换来确定陀螺仪输出以确定陀螺仪的偏差的示例方法；以及

图7示出根据本教导的为偏差补偿提供模式切换的CVG控制的示例闭环控制环路。

具体实施方式

现将详细参考附图中图示说明的本教导的示例性实施例。在可能的情况下，贯穿附图使用的相同参考数字指相同或相似的部件。

改进CVG性能的关键任务之一是CVG结构的机械和电子微调。材料不均匀、质量性质不平衡、结构形状误差和致动/感测设备布置误差均能够有助于刚度不对称和主轴线未对准。材料阻尼和阻尼不对称引起的残余空气能够有助于CVG阻尼不对称和主轴线未对准。热状况和滞后可以产生那些不准确的时间变化误差且使工厂校准仅令人满意是困难的。在本专利中，我们将利用CVG的模式切换的一些固有性质来实现自校准。特别地，我们志在获得不会降低CVG的带宽的CVG偏差现场和实时自校准的方法。

典型CVG采用自动增益控制(AGC)环路以维持恒定模式振动，而力再平衡(FTR)环路检测惯性速度。各种因素有助于陀螺仪偏差，陀螺仪偏差通常使用外部辅助设备校准。因此，本公开描述了使用CVG的模式切换(或反转)以使来自某些贡献者的偏差标志反转的CVG，并且描述了可以同时产生具有自校准偏差的固有CVG带宽下的陀螺仪输出(感测的惯性速度)的方法。该方法不需要任何外部辅助设备，并且能够用于指定的陀螺仪校准时间期间或现场操作期间，以及维持科里奥利振动陀螺仪的固有带宽。通常，本方法可以用于同时产生具有自校准偏差的固有科里奥利振动陀螺仪带宽下的陀螺仪输出(感测的惯性速度)，且将包含以预定时间间隔在自动增益控制模式和力再平衡模式之间切换、每当模式切换发生时计算新的偏差估计以及使用所有原始的陀螺仪测量值和新的及持续更新的偏差估计来计算陀螺仪输出。

通常，陀螺仪传感器测量目标的旋转速度。振动陀螺仪通常在共振下被驱动，以便起角速度传感器的作用。这种方向被称为驱动方向。当设备沿旋转轴线旋转时，科里奥利力在感测方向上被引入共振模式。感测方向正交于驱动轴线和旋转轴线两者。因此，陀螺仪能够被看作是双自由度(2DOF)质量弹簧阻尼器系统，其中一个自由度是驱动方向，且正交于第一自由度的第二自由度是感测方向。

现参考图1，其根据说明性实施例描绘了陀螺仪的功能模型的图示。在该说明性示例中，模型100包括元件102和框架103。当然，在另一些说明性示例中，除了图1中描述的那些组件之外，模型100可以包括用于陀螺仪的其它组件。

元件102通过沿x轴线106方向的第一组弹簧104与框架103关联。元件102通过沿y轴线110方向的第二组弹簧108与框架103关联。如图所示，x轴线106和y轴线110用于形成平面112。元件102可以经配置以元件102的共振频率数振动或共振。在一些情况下，共振频率数可以基本等于元件102的固有频率数。固有频率数的固有频率可以是当基本持续的外力未被施加至元件102时元件102沿特定轴线振动的频率。在该说明性示例中，元件102可以被称为“检测质量(proofmass)”或一些说明性示例中的共振器。

元件102可以在第一固有频率下沿x轴线106振动。进一步地，元件102可以在第二固有频率下沿y轴线110振动。第一固有频率可以与第二固有频率相同或不同，这取决于实施方式。元件102沿x轴线106的振动可以是第一模式，而元件102沿y轴线110的振动可以是第二模式。第一模式和第二模式可以被分别称为例如驱动模式和感测模式。

在该说明性示例中，元件102可以沿x轴线106和/或y轴线110振动而与框架103的运动无关。具体地说，第一组弹簧104和第二组弹簧108可以允许元件102沿x轴线106和y轴线110移动而与框架103的运动无关。

在该说明性示例中元件102的运动被约束在平面112内。在一个说明性示例中，控制单元130可以驱动元件102沿x轴线106的方向振动。框架103可以围绕基本垂直于平面112的z轴线111旋转。当元件102沿x轴线106的方向移动时，框架103围绕z轴线111的旋转产生科里奥利力，该科里奥利力引起元件102沿y轴线110的方向振动。

例如，参考图1，如果元件102沿x轴线106按照箭头114的方向移动，同时框架103沿箭头116的方向围绕z轴线111旋转，则元件102可以在沿y轴线110的箭头118的方向上移动。如果元件102沿x轴线106按照箭头120的方向上移动，同时框架103沿箭头116的方向围绕z轴线111旋转，则元件102可以在沿y轴线110的箭头122的方向上移动。

类似地，如果元件102沿x轴线106按箭头114的方向移动，同时框架103沿箭头124的方向围绕z轴线111旋转，则元件102可以沿y轴线110按箭头122的方向移动。如果元件102沿x轴线106按箭头120的方向移动，同时框架103沿箭头124的方向围绕z轴线111旋转，则元件102可以沿y轴线110按箭头118的方向移动。

控制单元130使用一个或多个力再平衡信号以使元件102沿第二轴线(即，y轴线110)的振动的振幅基本为零。换言之，基于由于第一运动模式的科里奥利耦合而产生的测量的第二模式运动，控制单元130使用一个或多个力再平衡信号以使元件102沿第二轴线(即，y轴线110)的运动基本无效。控制单元130产生一个或多个力再平衡信号的一个或多个测量值。力再平衡信号的一个或多个测量值可以用于确定角速度。

当陀螺仪的偏差有助于一个或多个测量值时，一个或多个测量值可以比期望的更不准确。偏差是陀螺仪的误差。例如，偏差可以是一个或多个测量值和应当实际产生的一个或多个测量值之间的差。当角速度基本为零时，偏差可以有助于一个或多个测量值。以此方式，偏差可以被称为零速度偏差。偏差可以由若干不同因素引起。这些因素可以包括，例如但不限于，温度、元件102的不同组件的制作的不一致性、元件102的特性、陀螺仪中感测系统的特性、控制单元130的特性以及其它合适的因素。这些因素还可以包括两个主阻尼轴线和主刚度轴线之间的阻尼和刚度不对称、标称驱动轴线和感测轴线对准、驱动轴线和感测轴线内的致动/敏感元件轴线未对准(如果标称驱动轴线和感测轴线对准不同于第一轴线和第二轴线)，和/或其它合适类型的不对称。

补偿系统136可以用于电子地补偿偏差。补偿系统136可以使用硬件、软件或两者的组合来实施。例如，补偿系统136可以在计算机系统138内实施。计算机系统138可以包含若干计算机。当计算机系统138包含多于一个计算机时，这些计算机可以彼此通信。

现参考图2，其根据说明性实施例描绘了陀螺仪的元件的轨道的图示。在该说明性示例中，元件(诸如图1的元件102)的轨道200参照x轴线202和y轴线204被描绘。x轴线202与图1中的x轴线106相同。y轴线与图1中的y轴线110相同。

元件102可以围绕在x轴线202和y轴线204的交点处的原点205振荡。元件102的振荡可以遵循钟摆式行为。以此方式，在该说明性示例中，轨道200可以是钟摆轨道。

轨道200的参数包括钟摆角206、主振幅208、正交振幅210和相位212。如图所示，钟摆角206θ是关于x轴线的角并且限定相对于x轴线202的轴线，元件102可以沿该轴线振动。主振幅208A是元件102沿由钟摆角206限定的轴线振动的振幅。

正交振幅210q是元件102沿正交于由钟摆角206限定的轴线的轴线振动的振幅。换言之，正交振幅210是元件102沿基本正交于由钟摆角206限定的轴线的轴线振动的振幅。进一步地，相位212Ф′是轨道200的相位。

控制单元(诸如图1中的控制单元130)可以经配置以控制施加至图1中的元件102和/或框架103的外力分量从而控制钟摆角206、主振幅208、正交振幅210和相位212。例如，控制单元可以控制作用于元件102上的力，使得这些力具有与元件102的固有频率的相位相同的相位。

进一步地，控制单元可以控制作用于元件102上的力，使得主振幅208A在陀螺仪抵抗任何阻尼力的操作期间保持基本恒定。主振幅208A由于阻尼而减小的速度与A/τ成比例，其中τ是阻尼时间常数。附加地，控制单元可以控制作用于元件102上的力，使得钟摆角206和正交振幅210在陀螺仪的操作期间保持具有选择公差的基本为零。

图3示出根据本教导的示例CVG模型。第一坐标系，其+x到右侧，+y向上，+z离开页面(旋转轴线)。CVG模型被示出表示在具有模态坐标(即，广义或主坐标)的模态空间(即，模态参考系或模态坐标系)中，其中在模态空间中围绕驱动轴线(x轴线)的振动模式w₁，和由CVG围绕感测轴线(y轴线)的旋转的结果产生的振动模式w₂偏移90°。在物理空间中(未示出)，两种振动模式w₁和w₂将偏移45°。例如，驱动轴线和感测轴线的标称轴线能够被限定为驱动轴线和感测轴线的敏感元件轴线。如上所述，CVG能够表示为2DOF质量弹簧阻尼器系统。因为阻尼系统(由τ₁和τ₂表示)，所以CVG需要输入力以维持CVG的振动构件以恒定振动模式振动。驱动轴线周围的致动器提供该所需输入。在闭环FTR控制的情况下，感测轴线周围的致动器包含与角速度相关的信息。当CVG未经历围绕z轴线旋转时，振动构件的振动趋于保持沿w₁方向。然而，如果CVG旋转，则沿w₁方向的振动趋于被耦合至w₂方向，然后可以由位于感测轴线周围的传感器检测。附加地或替代地，旋转速度可以通过提供控制信号以使与沿w₂方向的力相反的w₂运动归零(力再平衡)的过程被测量。CVG能够被设计，使得w₁和w₂在制造期间被制成尽可能接近，诸如彼此在大约5％以内，或3％以内，或2％以内，或1％以内。因为CVG中各种致动器布置的固有困难，所以提供至致动器的AGC的力(f_x)从驱动轴线的敏感元件方向偏移，如图3所示。同样，FTR(f_y)也从感测轴线的敏感元件方向偏移，也如图3所示。

图4A-4D示出根据本教导的CVG的驱动轴线和感测轴线的示例模式切换，其能够用于估计偏差。图4A示出沿驱动轴线的第一振动模式w₁(AGC)且图4B示出沿感测轴线的第二振动模式w₂(FTR)。被提供至沿驱动轴线的致动器和沿感测轴线的致动器的控制信号能够被反转，使得第二振动模式w₂(FTR)沿驱动轴线，如图4C所示，且第一振动模式w₁沿感测轴线，如图4D所示。

图5A-5C示出根据本教导的模式切换的示例时间顺序。在图5A中，时间顺序被示为在第一模式(即，由Ф＝0表示的ACG模式)和第二模式(即，由Ф＝90表示的FTR模式)之间转换的方波。对于第一操作模式，x轴线作为由AGC环路控制的驱动轴线操作，且y轴线作为由FTR环路控制的感测轴线操作。对于第二操作模式，y轴线作为由AGC环路控制的驱动轴线操作，且x轴线作为由FTR环路控制的感测轴线操作。对于每种模式，每种模式中的时间周期T相同(通常它们可以不同)。在图5B中，沿图5A的时间轴线示出惯性旋转速度Ω(t)和偏差β(t)的曲线。偏差β(t)倾向于是随时间变化更缓慢的参数。在图5C中，偏差β(t)的曲线随着模式转换计数值j被示出在+β(t)和-β(t)的值之间。

图6示出使用模式切换来确定陀螺仪输出以确定陀螺仪的偏差的示例方法。方法600在605处开始，其中在605处获得初始Ф。在610处，获得最后的切换周期T的平均原始的测量值。在615处，做出关于切换时间是否已经发生的确定。如果在615处的确定为肯定的，则该方法前进至620，其中在620处获得最后切换周期T的平均原始测量值。在625处，做出关于切换是否是从0°到90°的确定。如果在625处的确定为肯定的，则该方法前进至630，其中在630处(新计算的平均值是0°的情况)偏差测量值等于1/2*(新的平均值-最后的平均值)，该偏差测量值在635处被提供至偏差估计器且在640处估计新的偏差。如果在625处的确定是否定的，意味着切换是从90°到0°，则该方法前进至645，其中在645处(新计算的平均值是90°的情况)偏差测量值等于1/2*(最后的平均值-新的平均值)，该偏差测量值在635处被提供至偏差估计器且在640处估计新的偏差。如果在615处的确定是否定的，则来自640的新的偏差估计作为输入被提供以确定在650处是否Ф＝0°。如果在650处的确定是肯定的，则在655处陀螺仪速度测量值＝原始的测量值-估计的偏差。如果在650处的确定是否定的，则在660处陀螺仪速度测量值＝原始的测量值+估计的偏差。655或660的结果然后在665处作为陀螺仪输出被提供，该陀螺仪输出作为输入被提供以在615处确定切换时间。

图7示出根据本教导的为偏差补偿提供模式切换的CVG控制的示例闭环控制环路。CVG接收与自动增益控制(“AGC”)模式相关的第一输入和与力再平衡(“FTR”)模式相关的第二输出，第一输出被施加至第一致动器以维持CVG的振动构件在第一振动模式(w₁)下以恒定振幅振动，第二输出被施加至第二致动器以抵消由于CVG围绕z轴线(旋转轴线)的旋转引起的科里奥利效应而产生的力。

第一输出705是施加至驱动致动器以产生力从而引起CVG715的振动构件在第一振动模式(w₁)下振动的电压。第二输出710是施加至感测致动器以产生力从而抵抗由科里奥利效应产生的力的电压，当振动构件围绕z轴线旋转时，科里奥利效应引起振动构件在第二振动模式(w₂)下振动。在驱动轴线的敏感元件处的电压720被测量，且被提供至AGC735，从而在705中作为输入被提供。在感测轴线的敏感元件处的电压725被测量，且被提供至FTR740，从而在710中作为输入被提供。第一开关730和第二开关745能够被布置在中间以接收和切换输出的电压720和725以提供模式切换功能。如果在驱动轴线的敏感元件处测量的电压720的相位异相，则相位模块750能够校正电压的相位偏移。解调模块755从相位模块750获得相位信息并从FTR740获得电压以产生然后由滤波器760滤波的解调电压。CVG的角速度然后可以被获得和输出765。

在操作中，第一控制信号可以从控制器获得以提供足以引起和维持振动元件在第一振荡模式下振动的电压。然后，电压可以基于CVG围绕旋转轴线的旋转引起的振动构件的第二振荡模式而被检测。然后可以提供足以使基于第二振荡模式的电压为零的平衡信号。CVG的旋转速度然后可以基于或部分基于平衡电压而被确定。

具有可切换的驱动/敏感元件方向的速度偏差可以根据如下内容被确定。速度测量偏差公式可以在频率和阻尼不对称的情况下被确定。如果我们引入驱动/敏感元件轴线的旋转角，如：

且引入根据旋转的测量信号而构造的对应控制输入：

具有旋转的控制输入的旋转的二维振动等式变为：

其中矩阵D和S被限定为不对称振动动态的阻尼和刚度矩阵：

按照同样完美的AGC和FTR环路论证，有：

一个直接的观察是：

这意味着如果驱动和敏感元件模式被反转，则CVG的偏差也使其标志反转，该内容首先在K.Hayworth发表的2003年10月10日NASA技术简介第27卷“振动陀螺仪的持续转动和校准”(“Continuoustuningandcalibrationofvibratorygyroscopes”)的参考文献中被观察到。

标志切换导致估计处于CGV水平的偏差而无任何外部辅助设备的自校准方案的可能。

实时速度偏差自校准。

考虑(3)的非零惯性速度情况。假设完美的AGC和FTR与驱动和/或敏感元件旋转角度结合，进行简单的代数运算后产生以下FTR等式：

低通滤波(通过振动运动速度信号)调制的FTR信号变为：

测量的惯性速度能够被提取为速度估计和偏差项的组合：

其中：

如果阻尼不对称和阻尼轴线未对准两者是CVG的CVG结构布局且可能受到热变化和形状变化的影响的真空状况的固有性质，则具有驱动轴线和敏感元件轴线之间的模式角切换的偏差的标志翻转的特性导致以下基于滤波器的估计器用于以实时偏差自校准的惯性速度估计。

假定偏差项缓慢地改变且可以被模型化为马尔可夫过程。在模态反转技术中，假定周期长度T的切换角Ф等于0度和90度。如果使用两个连续的0°和90°测量值的平均值，则惯性速度测量偏差可以在很大程度上被消除。平均方法有许多缺点，包括陀螺仪传感器的大大减小的带宽(因为需要2T的时间用于平均化)和陀螺仪的减小的精度(因为在特定T周期内且在两个连续的切换周期之间的被忽略的偏差变化)。为了克服这些缺点，可以提议基于滤波器的估计器连续利用0°和90°周期两者内的所有测量值。作为一个示例，假定偏差能够被模型化为马尔可夫过程：

$\frac{d\mathrm{\β}\left(t\right)}{dt}=-\frac{1}{p}\mathrm{\β}\left(t\right)+\mathrm{\η}---\left(10\right)$

其中β(t)是(9)中限定的(时变)标志不变的真实偏差，p是过程时间常数，和η是具有已知方差(即var[η]＝Q)的零均值高斯白噪声。在抽样时间t_k处校正的惯性速度测量值由下式给出：

来自CVG的测量值的时间顺序能够如下被安排以在如下每个切换周期T的终点处具有新样本。假定t₀是90度Ф角切换周期的起点，有：

我们可以在每个切换周期的终点处安排偏差的测量值如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\β}}_1=+\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}(t_k\∈U_2)-\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}(t_k\∈U_1)}{2},& t_k=t_0+2T\\ {\mathrm{\β}}_2=-\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}(t_k\∈U_2)-\stackrel{\‾}{\mathrm{\Ω}}(t_k\∈U_1)}{2},& t_k=t_0+3T\\ .& .\\ .& .\\ .& .\end{array}\right.---\left(13\right)$

基于偏差测量样本的偏差的估计器然后可以被构造。用表示t_k＝t₀+(j+1)T处偏差的估计。在该时间处的偏差预测为：

${{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_j}^{-}={\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_{j-1}-\frac{T}{p}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_{j-1}=(1-\frac{T}{p}){\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_{j-1}---\left(14\right)$

偏差的测量更新为：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_j={{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_j}^{-}+K_j({\mathrm{\β}}_j-{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\β}}}_j}^{-})---\left(15\right)$

其中K_j可以是来自固定滤波器或卡尔曼滤波器的更新增益。对于卡尔曼滤波器设计，偏差的预测的协方差为：

$P_j={(1-\frac{T}{p})}^2{P_j}^{-}+Q_j---\left(16\right)$

更新的增益能够被计算为：

K_j＝P_j(P_j+R_j)^-1(17)

且更新的协方差由P_j+1 ^-＝(1-K_j)P_j给出。过程噪声方差Q和测量噪音方差R能够通过分析AGC和FTR环路的实际实施质量中的原始的数据和测量过程来确定。

在基于滤波器的偏差估计器中，只要偏差时间常数长于偏差测量样本周期，那么陀螺仪测量输出仍能够以高速度具有校正的偏差。完美的情况是陀螺仪停止的时候(实验环境或有时在操作期间)，此时真实惯性速度是恒定的。在这种情况下，平均值产生完美的偏差估计。在一般情况下，动态真实速度可以恶化平均值并使偏差估计更不准确。

进一步地，本公开包含根据以下条款的实施例：

条款1：一种用于确定科里奥利振动陀螺仪即CVG的偏差补偿的惯性旋转速度的方法，所述方法包含：

确定所述CVG正在操作的初始模式；

获得来自从先前的模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值；

获得来自所述先前的模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值；

确定给定轴线的自动增益控制模式和力再平衡模式之间的第一转换；

基于确定的所述第一转换和来自所述先前的模式转换周期的所述平均未补偿的偏差测量值计算所述CVG的第一偏差估计；以及

基于计算的所述第一偏差和来自所述先前的模式转换周期的所述平均未补偿的惯性旋转速度测量值通过处理器计算所述CVG的第一偏差补偿的惯性旋转速度。

条款2：根据条款1所述的方法，进一步包含：

确定给定轴线的所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的第二转换；

基于确定的所述第二转换和来自所述先前的模式转换周期的所述平均未补偿的偏差测量值计算所述CVG的第二偏差估计；以及

基于计算的所述第二偏差和来自先前的模式转换周期的所述平均未补偿的惯性旋转速度测量值计算所述CVG的第二偏差补偿的惯性旋转速度。

条款3：根据条款1所述的方法，进一步包含：提供信号以控制给定轴线的所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的转换。

条款4：根据条款3所述的方法，其中所述信号可操作以切换第一致动器控制信号和第二致动器控制信号。

条款5：根据条款1所述的方法，其中所述第一偏差基于来自驱动轴线和感测轴线上操作的力再平衡模式的一个或多个力再平衡测量值而计算。

条款6：根据条款1所述的方法，其中确定所述第一转换的结果是从给定轴线的所述自动增益控制模式到所述力再平衡模式的转换，所述方法进一步包含：通过从最后计算的平均偏差中减去新的平均偏差而确定更新的偏差估计。

条款7：根据条款1所述的方法，其中确定所述第一转换的结果是从给定轴线的所述力再平衡模式到所述自动增益控制模式的转换，所述方法进一步包含：通过从新的平均偏差中减去最后计算的平均偏差而确定更新的偏差估计。

条款8：根据条款1所述的方法，其中确定更新的偏差补偿的惯性旋转速度进一步包含：从针对所述自动增益控制模式计算的所述第一偏差估计中减去偏差的惯性旋转速度。

条款9：根据条款1所述的方法，其中确定更新的偏差补偿的惯性旋转速度进一步包含：将有偏差的惯性旋转速度添加至针对所述力再平衡模式计算的所述第一偏差估计。

条款10：一种科里奥利振动陀螺仪即CVG，其包含：

振动构件；

控制器；

第一致动器，其电耦接至所述振动构件且围绕所述CVG的驱动轴线布置且可操作以获得来自所述控制器的控制信号且提供足以引起并维持所述振动构件在第一振荡模式下振动的电压；

第二致动器，其电耦接至所述振动构件且围绕所述CVG的感测轴线布置且可操作以检测基于由所述CVG围绕旋转轴线的旋转引起的所述振动构件的第二振荡模式的电压和提供足以使基于所述第二振荡模式的所述电压为零的平衡信号，其中所述感测轴线在模态参考系中正交于所述驱动轴线，

其中所述控制器可操作以执行一种方法，包含：

确定所述CVG正在操作的初始模式；

获得来自先前的模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值；

获得来自所述先前的模式转换周期的平均偏差测量值；

确定自动增益控制模式和力再平衡模式之间的第一转换；

基于确定的所述第一转换和来自所述先前的模式转换周期的所述平均偏差测量值计算所述CVG的第一偏差估计；以及

基于计算的所述第一偏差和来自先前的模式转换周期的所述平均未补偿的惯性旋转速度测量值，通过处理器计算所述CVG的第一偏差补偿的惯性旋转速度。

条款11：根据条款10所述的CVG，其中所述控制器进一步可操作以执行所述方法，包含：

确定给定轴线的所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的第二转换；

基于确定的所述第二转换和来自所述先前的模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值计算所述CVG的第二偏差估计；以及

基于计算的所述第二偏差和来自先前的模式转换周期的所述平均未补偿的惯性旋转速度测量值计算所述CVG的第二偏差补偿的惯性旋转速度。

条款12：根据条款10所述的CVG，其中所述控制器进一步可操作以执行所述方法，进一步包含：提供信号以控制给定轴线的所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的转换。

条款13：根据条款12所述的CVG，其中所述信号是可操作的以切换所述信号，从而控制所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的所述转换。

条款14：根据条款10所述的CVG，其中所述第一偏差基于来自在所述驱动轴线和所述感测轴线上操作的所述力再平衡模式的一个或多个力再平衡测量值而被计算。

条款15：根据条款10所述的CVG，其中确定所述第一转换的结果是从给定轴线的所述自动增益控制模式到所述力再平衡模式的转换，所述方法进一步包含：通过从最后计算的平均偏差中减去新的平均偏差而确定更新的偏差估计。

条款16：根据条款10所述的CVG，其中确定所述第一转换的结果是从给定轴线的所述力再平衡模式到所述自动增益控制模式的转换，所述方法进一步包含：通过从新的平均偏差中减去最后计算的平均偏差而确定更新的偏差估计。

条款17：根据条款10所述的CVG，其中确定更新的偏差补偿的惯性旋转速度进一步包含：从针对所述自动增益控制模式计算的所述第一偏差估计中减去有偏差的惯性旋转速度。

条款18：根据条款10所述的CVG，其中确定更新的偏差补偿的惯性旋转速度进一步包含：将有偏差的惯性旋转速度添加至针对所述力再平衡模式计算的所述第一偏差估计。

所描述的步骤无需以所论述的相同顺序或相同的分离度执行。根据需要，各种步骤可以被省略、重复、组合或分开以实现相同或类似的目标或改进。因此，本公开不限于上述实施例，而是由所附权利要求书根据等同物的其全部范围来限定。进一步地，在上述描述和下述权利要求中，除非另有说明，否则术语“实行”及其变体被解释为涉及设备上程序代码或指令(不管编译、解译还是使用其它技术运行)的任何操作。

本公开不限于在该申请中描述的特定实施例，其意为各个方面的说明。如对本领域技术人员将是显而易见的，在不脱离其精神和范围的情况下，能够做出许多修改和变体。除了本文中列举的那些，本公开范围内功能上的等同的方法和装置对于前述说明书领域内的技术人员将是显而易见的。这种修改和变体意在落入所附权利要求的范围内。本公开仅仅受限于所附权利要求书以及该权利要求书有权要求保护的等同物的全部范围。还应当理解，本文中使用的术语仅是为了描述特定实施例，且不意在限制性的。

关于本文中任何复数和/或单数术语的基本使用，本领域技术人员能够从复数到单数和/或从单数到复数转化，因为其适合于本文和/或本申请。为清楚起见，各个单数/复数更换可以在本文中被明确地阐明。

本领域技术人员将理解到，通常本文中尤其是所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中使用的术语一般意为“开放”术语(例如，术语“包括”应当被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应当被解释为“具有至少”，术语“包含”应当被解释为“包含但不限于”等)。本领域技术人员将进一步理解到，如果引入的权利要求列举的具体数量是预期的，则这种意图将在权利要求中被明确地详述，且如果缺少这种详述则这种意图不存在。例如，为帮助理解，下面的所附权利要求可以包含引入词组“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求详述。然而，这种词组的使用不应被解释为暗示通过不定冠词“一”或“一个”引入的权利要求详述将包含这种引入的权利要求详述的任何特定权利要求限制为包含仅一个这种详述的实施例，即使当相同的权利要求包括引入词组“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词诸如“一”或“一个”(例如，“一”和/或“一个”应当被解释为意味着“至少一个”或“一个或多个”)时；对于用于引入权利要求详述的定冠词的使用同样适用。此外，即使引入的权利要求详述的具体数量被明确地详述，本领域技术人员也将认识到这种详述应当被解释为意味着至少详述的数量(例如，“两个详述”的简明详述，无其它修饰语，意味着至少两个详述，或两个或多个详述)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，通常这种构造在意义上意在使本领域技术人员理解该惯例(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有仅A、仅B、仅C、同时A和B、同时A和C、同时B和C，和/或同时A、B和C等的系统)。此外，在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯例的那些情况下，通常这种构造在意义上意在使本领域技术人员理解该惯例(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有仅A、仅B、仅C、同时A和B、同时A和C、同时B和C，和/或同时A、B和C等的系统)。本领域技术人员还将进一步理解到，表示两个或多个替代术语的几乎任何转折性词语和/或词组无论在描述、权利要求中还是在附图中均应当被理解为考虑包括术语中的一个、术语中的任一个或两个术语的可能性。例如，词组“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。

此外，其中本公开的特征和方面以Markush组被描述，本领域技术人员将认识到本公开还因此以任何单个成员或Markush组的成员的子组描述。

如将由本领域技术人员所理解的，对于任何和所有目的，诸如提供书面描述，本文公开的全范围还包括任何和所有可能的子范围和其子范围的组合。任何列出的范围能够容易地被认为是充分描述并确保相同范围被分解为至少相等的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等。作为非限制性示例，本文讨论的每个范围能够容易地分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一等。如将由本领域技术人员所理解的，诸如“多达”、“至少”、“多于”、“少于”等所有语言包括引用的数字并指随后能够被分解为如上所述的子范围的范围。最后，如将由本领域技术人员所理解的，范围包括每个单独成员。

虽然本文已经描述各个方面和实施例，但是其它方面和实施例对本领域技术人员将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是说明性的，不意在限制性的，其中真实范围和精神由所附权利要求指示。

Claims (15)

1.一种用于确定科里奥利振动陀螺仪即CVG的偏差补偿的惯性旋转速度的方法，所述方法包含：

确定所述CVG正在操作的初始模式；

获得来自先前的模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值；

获得来自所述先前的模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值；

确定给定轴线的自动增益控制模式和力再平衡模式之间的第一转换；

基于确定的所述第一转换和来自所述先前的模式转换周期的所述平均未补偿的偏差测量值计算所述CVG的第一偏差估计；以及

基于计算的所述第一偏差和来自先前的模式转换周期的所述平均未补偿的惯性旋转速度测量值，通过处理器计算所述CVG的第一偏差补偿的惯性旋转速度。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：

确定给定轴线的所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的第二转换；

基于确定的所述第二转换和来自所述先前的模式转换周期的所述平均未补偿的偏差测量值计算所述CVG的第二偏差估计；以及

基于计算的所述第二偏差和来自先前的模式转换周期的所述平均未补偿的惯性旋转速度测量值计算所述CVG的第二偏差补偿的惯性旋转速度。

3.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：提供信号以控制给定轴线的所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的转换。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述信号可操作以切换第一致动器控制信号和第二致动器控制信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一偏差基于来自驱动轴线和感测轴线上操作的力再平衡模式的一个或多个力再平衡测量值而被计算。

6.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述第一转换的结果是从给定轴线的所述自动增益控制模式到所述力再平衡模式的转换，所述方法进一步包含：通过从最后计算的平均偏差中减去新的平均偏差而确定更新的偏差估计。

7.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述第一转换的结果是从给定轴线的所述力再平衡模式到所述自动增益控制模式的转换，所述方法进一步包含：通过从新的平均偏差中减去最后计算的平均偏差而确定更新的偏差估计。

8.根据权利要求1所述的方法，其中确定更新的偏差补偿的惯性旋转速度进一步包含：从针对所述自动增益控制模式计算的所述第一偏差估计中减去有偏差的惯性旋转速度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中确定更新的偏差补偿的惯性旋转速度进一步包含：将有偏差的惯性旋转速度添加至针对所述力再平衡模式计算的所述第一偏差估计。

10.一种科里奥利振动陀螺仪即CVG，其包含：

振动构件；

控制器；

第一致动器，其电耦接至所述振动构件且围绕所述CVG的驱动轴线布置且可操作以获得来自所述控制器的控制信号和提供足以引起并维持所述振动构件在第一振荡模式下振动的电压；

第二致动器，其电耦接至所述振动构件且围绕所述CVG的感测轴线布置且可操作以检测基于由所述CVG围绕旋转轴线的旋转引起的所述振动构件的第二振荡模式的电压和提供足以使基于所述第二振荡模式的所述电压为零的平衡信号，其中所述感测轴线在模态参考系中正交于所述驱动轴线，

其中所述控制器可操作以执行一种方法，包含：

确定所述CVG正在操作的初始模式；

获得来自先前的模式转换周期的平均未补偿的惯性旋转速度测量值；

获得来自所述先前的模式转换周期的平均偏差测量值；

确定自动增益控制模式和力再平衡模式之间的第一转换；

基于确定的所述第一转换和来自所述先前的模式转换周期的所述平均偏差测量值计算所述CVG的第一偏差估计；以及

基于计算的所述第一偏差和来自先前的模式转换周期的所述平均未补偿的惯性旋转速度测量值，通过处埋器计算所还CVG的第一偏差补偿的惯性旋转速度。

11.根据权利要求10所述的CVG，其中所述控制器进一步可操作以执行所述方法，包含：

确定给定轴线的所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的第二转换；

基于确定的所述第二转换和来自所述先前的模式转换周期的平均未补偿的偏差测量值计算所述CVG的第二偏差估计；以及

基于计算的所述第二偏差和来自先前的模式转换周期的所述平均未补偿的惯性旋转速度测量值计算所述CVG的第二偏差补偿的惯性旋转速度。

12.根据权利要求10所述的CVG，其中所述控制器进一步可操作以执行所述方法，进一步包含：提供信号以控制给定轴线的所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的转换。

13.根据权利要求12所述的CVG，其中所述信号是可操作的以切换所述信号，从而控制所述自动增益控制模式和所述力再平衡模式之间的所述转换。

14.根据权利要求10所述的CVG，其中所述第一偏差基于来自所述驱动轴线和所述感测轴线上操作的所述力再平衡模式的一个或多个力再平衡测量值而被计算。

15.根据权利要求10所述的CVG，其中确定所述第一转换的结果是从给定轴线的所述自动增益控制模式到所述力再平衡模式的转换，所述方法进一步包含：通过从最后计算的平均偏差中减去新的平均偏差而确定更新的偏差估计。