CN1395676A - 作为围绕两个轴的速率陀螺仪和围绕第三个轴的速率积分陀螺仪操作的振动传感器 - Google Patents

Abstract

一种振动结构陀螺仪，包括谐振体、用于驱动谐振体的谐振运动的驱动变换器装置、用于产生代表谐振运动的信号的传感装置以及用于从信号中提取z轴取向信息以及x－和y－速率信息的信号处理装置。谐振体是平面的并且谐振运动以振动模式图样进行，所述图样相对于谐振体的取向角度根据谐振体的z轴取向变化并且根据谐振体绕着x－或y－轴的转动将能量加倍成平面外响应模式运动。信号处理装置参照z轴取向信号分解平面外响应模式运动以提取x－和y－轴速率信息。

Description

作为围绕两个轴的速率陀螺仪和围绕 第三个轴的速率积分陀螺仪操作的振动传感器

技术领域

本发明涉及多轴感测装置，更具体地说涉及采用了谐振元件的振动结构陀螺仪。

背景技术

以前振动结构陀螺仪是利用多种用于谐振元件的结构例如梁、音叉、圆筒和环等构成的。如在美国专利No.5218867所披露的一样，除了测量绕着特定轴的转速之外，这些装置还能够以“全角”或“陀螺仪”模式操作，其中该装置的输出给出了绕着特定轴的转动角度的直接测量值。已知的是该操作模式在改进比例因子特性方面尤其在该装置进行持续高转速的用途中具有优点。

平面环被证明是特别通用，使用常规制造和微机加工出的谐振器在商业上可得到单轴速率陀螺仪变型。

传统的单轴平面环陀螺仪通常使用cos2θ面内振动模式对。对于完全对称的谐振器而言，在45°的相互角处将会有两个简并模式。这些都在图1a(cos2θ模式)和图1b(sin2θ模式)中被大致显示出，这些图显示出在单一振动循环期间在运动的两个末端处的环变形。这些模式中的一种被激发作为载波模式(图1a)。当该结构绕着与环平面垂直的轴(z轴)转动时，科里奥利力(Coriolis force)使能量加倍进入进响应模式(图1b)。该科里奥利力并且因此响应模式运动的幅度直接与所施加的转动速率成比例。也可以以相似的方式使用其它高阶cosnθ模式对。

在操作中，载波模式在谐振最大时被驱动并且通常保持在恒定的幅度上。由于转动而产生的科里奥利力将处于载波谐振频率处。该响应模式频率通常与载波的频率相配，因此由于这些力而出现的运动由结构的Q(品质因子)而放大，从而提高了灵敏度。该响应模式运动可以采用具有直接与所施加的速率成比例的调零力的力反馈回路来调零。该操作模式从速率输出中除去了Q相关性，并且提高了比例因子特性。因此总是将环的运动保持在固定的角度取向上。

平面环结构还适合用在采用面内cosnθ模式对的单轴姿态传感器，例如在美国专利No.5218867中所述的圆柱形元件。在该操作模式中，振动能量在该装置转动时能够自由地在该面内模式对之间传送，并且没有施加任何力反馈。如果模式频率精确匹配的话，则在结构转动时这将与绕着环转动的模式等同。该模式图样取向在惯量上不稳定但是容易落在环结构转动的后面。图样角度转动与所施加的转动角度的比值由惯量耦合常数K给出，该常数取决于谐振器结构和模式阶次n。

当在该模式中操作时，可像对于常规的闭环速率陀螺仪操作那样采用相同的驱动和传感结构。然而用于探测在环上的模式取向和用来保持运动的幅度的技术是显著不同的。施加径向驱动信号以在径向波腹中的一处或多处维持振动幅度。当模式图样绕着环转动时，需要有效的驱动位置来围绕着环跟踪该径向波腹。传感器必须同样具有在径向波腹和波节处分解环的实际径向运动的能力。径向波腹信号用来将驱动频率保持在谐振最大处并且用来使振动幅度正常化。需要用径向波节信号来精确地跟踪模式方位。

如在英国专利申请Nos.2318184A和2335273A中所述一样，环结构还能够提供绕着多根轴的速率灵敏度。当在cosnθ面内载波模式中被驱动时，在环平面中绕着这些轴的转动还将提高科里奥利力。这些力将沿着与环平面垂直的轴线(z轴)。对于绕着y轴的转动Ω_y而言，其中y轴采取沿着θ＝0°，这些科里奥利力F_z(θ)将具有由下式给出的角度分布：

F_z(θ)＝F_n+1Ω_ysin(n+1)θ+F_n-1Ω_ysin(n-1)θ

其中θ为绕着环相对于固定参考位置的角度位置，n为载波模式阶次并且参数F_n+1和F_n-1为取决于环的精确几何形状、制成该环的材料以及n值的常量。同样对于绕着x轴的转动Ω_x而言，这些科里奥利力F_z(θ)将具有由下式给出的角度分布：

F_z(θ)＝F_n+1Ω_xcos(n+1)θ+F_n-1Ω_xcos(n-1)θ

因此这些力具有能够直接激发sin(n+1)θ和cos(n+1)θ或者sin(n-1)θ和cosv(n-1)θ面外模式对的分量。环尺寸可以这样设定，从而其中一个模式对的谐振频率正好与平面内载波模式的谐振频率匹配。这样，像对于面内响应那样，面外响应运动的幅度将由结构的Q放大。

采用这样的设计，从而单个装置就可以提供导航应用所需要的所有功能性，而以前在导航应用中需要两个或多个单轴装置，每一个装置应用于每根轴线。多轴装置的优点在于，在谐振器制造过程中就设定好感测轴的相互对准，并且对于所有轴的单频率操作意味着电子仪器不必明显比在单轴装置中的更复杂。对于需要绕着多轴的速率灵敏度的用途而言，这种多轴装置在成本和尺寸上可以显著减小。

在它们之间，英国专利申请Nos.2318184和2335273A披露了各种模型的组合，它们可以用来实现双轴和三轴速率陀螺仪。在这里还显示出用于每个组合的驱动和传感变换器元件的位置。

美国专利N0.5218867和英国专利申请No.2318184A和2335273A在这里被引用作为参考。

某些陀螺仪用途可以需要测量绕着一根特定轴线高速转动的物体的空间取向。例如在飞机导航中，飞机的横摇轴可能要承受比俯仰和偏航轴更高的转速。为了在这些应用中计算出在俯仰轴和偏航轴中的取向，必须高精确度地知道在横摇轴中的取向。

因此，对于具有高转速的轴而言，在以“全角”模式进行的操作中其显著的性能优点在于防止由于比例因数误差而导致的航向误差的累积。例如，1％的比例因数误差每次转动将导致3.6°的航向误差。这个累积误差的问题在感测轮子或轴的运动时尤为敏锐，这时一根轴的转速将明显具有比其它两根轴高得多。

因此，需要一种组合了多轴操作的优点同时能够精确地测量出绕着可能进行持续高速转动的单轴的取向的装置。

发明内容

本发明是鉴于以下认识作出的：可以以“全角”或“陀螺仪”模式操纵多轴陀螺仪的z轴响应同时在速率陀螺仪模式中保持x轴和y轴响应。因此，本发明可以在广义上被称为三轴陀螺仪感测装置，用来象速率陀螺仪一样绕着两个轴操作并且象全角陀螺仪一样绕着三根轴操作。

因此，本发明涉及一种振动结构陀螺仪，它包括谐振体、用于驱动谐振体的谐振运动的驱动变换器装置、用于产生代表谐振运动的信号的传感器装置以及用于从信号中提取z轴取向信息以及x和y轴速度信息的信号处理装置。

更具体地说，信号处理装置从信号中提取z轴载波模式取向信息并且使该信息正常化以给出在绕着z轴的角度取向方面的信息，并且从这些信号中提取x和y轴速度信息。

在这种陀螺仪中，谐振体通常是一种平面环结构并且谐振运动在环平面中以振动模式图样进行，所述环平面其相对于本体的取向角与本体绕着其z轴的取向成比例地变化。该振动模式图样根据谐振体绕着x或y轴线的转动将能量加倍成面外响应模式运动。在该情况中，信号处理装置最好参考代表绕着z轴的取向的z轴取向信号进行分解以提取x和y轴速率信息。

传感器装置最好包括多个设置用来感测在谐振体平面中的谐振运动的第一传感器以及多个设置用来感测谐振体平面外的响应模式运动的第二传感器。多个第二传感器应该隔开30k°，其中k为奇数。

驱动变换器装置优选包括由驱动分解器驱动的多个驱动变换器，所述驱动分解器采用来自z轴载波振动模式取向信号中的输入信号以沿着振动模式图样的取向角度给出被分解的结果驱动信号。

在本发明的优选实施方案中，信号处理装置包括：速率积分装置，该装置利用传感器分解器从多个第一面内传感器获取输入信号并且输出z轴取向信号；以及x-y-轴分解器，该分解器获取施加给多个平面外驱动变换器的输入驱动信号，参考z轴载波振动模式取向信号分解这些信号，并且输出x-和y-轴速率信息。

优选的是，将来自传感分解器的波腹信号提供给锁相环路，该锁相环路调节驱动变换器装置的驱动频率以跟踪谐振最大。优选还将波腹信号提供给增益控制回路，用来调节施加在驱动变换器装置上的驱动电平以保持恒定的波腹信号。

可以将来自传感器分解器的波节信号施加给速率积分装置，该装置优选包括用来分解任何与波腹信号同相的信号分量的相位探测器。速率积分装置优选包括速率信号发生器装置例如环路控制器，该控制器获取波节信号并且输出与振动模式图样绕着z轴线的转速成比例的速率信号。速率积分装置还可以包括对速率信号进行积分以输出z轴载波振动模式取向信号的积分器。可以将这个z轴载波振动模式取向信号施加给正常化装置，用来将Bryan因子施加给那个信号以给出陀螺仪本体绕着z轴线转动过的角度的直接测量值。

一般来说，传感器装置包括其输出被提供给x轴线速率回路的x轴传感器以及其输出被提供给y轴速率回路的y轴传感器，并且x和y轴速率回路分别将驱动信号提供给x和y轴驱动变换器以在相应的传感器处将信号调零。

为了使振动图样漂移最小化，最好采用正交调零回路。该回路优选沿着波节轴将驱动信号提供给驱动变换器以将给回路的输入信号保持为零。

附图说明

已经参照了图1a，该图大致地显示出在以常规的方式用作载波模式的对称谐振器或振动结构中的简并cos2θ振动模式，并且参照了图1b，该图为与图1a的模式成45°的以常规的方式用作响应模式的简并sin2θ振动模式的示意图。为了更好地理解本发明并且为了显示出本发明是怎样实现的，现在将以实施例的方式参照剩下的附图，其中：

图2a的三维示意图显示出用于其中α＝0°的cos2(θ+α)平面内载波模式的径向位移的角度分布；

图2b与图2a相对应，但是显示出由绕着x轴转动所激发的z轴位移的cos3θ振动模式图样；

图2c与图2a和2b相对应，但是显示出由绕着y轴转动所激发的z轴位移的sin3θ振动模式图样；

图3a、3b和3c分别与图2a、2b和2c相对应，但是显示出其中α＝22.5°的等同响应；

图4为本发明优选实施方案的方框图，显示出实施z轴感测的部件；并且

图5为与图4相对应的方框图，但是显示出实施x-和y轴速率感测的其它部件。

具体实施方式

概括地说，本发明设想出一种多轴感测装置，该装置象一种绕着两根轴x和y转动的速率陀螺仪并且象绕着第三轴z的“全角”陀螺仪一样操作。通过采用在这种模式中实施的z轴陀螺仪响应，用于x-和y-轴速率响应的载波模式就不再在空间上固定在环上。因此绕着z轴施加的转动将导致平面内载波模式的角度位置绕着环转动。

载波模式形状可以相对于固定角度参考方向θ＝0°来限定，该方向采取沿着穿过环中心的直径的方向。环的径向位移将具有cosn(θ+α)角度分布，其中α为相对于参考方向的模式角度取向。X和y速率响应轴还可以相对于固定的陀螺仪本体参考轴来限定，即沿着θ＝0°设置的y轴和沿着θ＝90°设置的x轴。

为了导出由绕着x-和y-轴转动而产生出的科里奥利力分量，对于任何给定的α值，必须考虑载波模式的径向和切向速度分量的角度分布。由此，可以计算出沿着x和y方向的速度分量，因此计算出由绕着x-和y-轴的转动而出现的科里奥利力分布。

对于绕着x轴的转动Ω_x而言，平面外科里奥利力分布F_z(θ)将由下式给出：

F_z(θ)＝F_n+1Ω_xcos{nα+(n+1)θ}+F_n-1Ω_xcos{nα+(n-1)θ

其中和前面一样，θ为绕着环相对于固定参考位置的角度位置，n为载波模式阶次并且参数F_n+1和F_n-1为取决于环的精确几何形状、制成该环的材料以及n值的常量。同样对于绕着y轴的转动Ω_y而言，该科里奥利力分布将具有由下式给出：

F_z(θ)＝F_n+1Ω_ysin{nα+(n+1)θ}+F_n-1Ω_ysin{nα+(n-1)θ}

显然，除了添加了nα项之外，这些表达式与如上所述对于固定载波模式获得的那些类似。绕着本体固定的x和y轴的转动因此将仍然导致科里奥利力分量的产生，这些分量将直接加倍(couple)成cos(n±1)θ或sin(n±1)θ平面外模式对。但是，这些力分量还在环上移动了角度nα。

对于加倍成cos(3θ+2α)和sin(3θ+2α)平面外响应模式的cos2(θ+α)平面内载波模式而言，这些效果可以以实施例的方式显示出。图2a显示出对于α＝0°的cos2(θ+α)平面内载波模式而言的径向位移角度分布的三维示意图。虚线显示出环的未移动位置，而实线显示出在单振动运动期间运动的末端。

绕着x轴施加的转动将产生科里奥利力分量，这些分量将激发出具有如图2b中所示的z轴位移的振动模式。另外，实线显示出在振动循环期间从固定环(虚线)开始的平面外位移的末端。同样，围绕着y轴施加的转动将激发出如图2c中所示的振动模式图样。

图3显示出其中α＝22.5°的等同响应。图3a显示出平面内径向载波模式位移，并且图3b和3c显示出分别由绕着x-和y-轴施加的转动而导致的平面外响应运动。对于其它模式组合而言可以产生相似的曲线。

采用这种模式的组合，为了测量出绕着陀螺仪本体的x轴的转动，必须分解出cos(3θ+2α)平面外响应模式。同样，为了测量出绕着y轴的转动，必须分解出sin(3θ+2α)平面外响应模式。在振动波腹中的一处或多处可以方便地测量出这些模式的运动幅度。由于这些波腹点不再固定在环上，所以通过固定的平面外(z轴)传感元件不能直接探测到x-和y-轴响应。但是可以通过组合两个或多个适当定位的固定传感元件的输出来沿着所要求的角度方向来分解相关的运动。在这些响应模式以力反馈模式操作的情况中，同样可以采用两个固定的驱动变换器将适当的驱动力施加在所要求的分解角度位置处。

图4显示出用于平面内速率积分振动模式控制的控制电路。0°方向由实线箭头表示，在0°和45°处设有两个驱动元件10和11，并且在180°和225°处设有两个传感元件12和13。

对于已知的α值而言，正弦/余弦传感器分解器14处理来自传感元件12和13的信号，并且输出一个沿着波腹位置分解出的信号以及另一个沿着波节位置分解出的信号。

将波腹信号提供给锁相环路15，该环路调节驱动频率以跟踪谐振最大。还将该信号提供给增益控制回路16，用来调节驱动电平以便保持恒定的信号并且因此使振动幅度稳定。将驱动信号V₀提供给驱动分解器元件17，该元件设定出在驱动变换器10(V₀cos2α)和11(V₀sin2α)上的驱动电平以给出沿着α分解出的结果驱动信号。

将波节传感信号提供给相位探测器18，该探测器分解与波腹信号同相的信号分量。然后将该信号提供给RIG回路控制器19以便给出与振动模式图样的转速成比例的信号。将该输出提供给积分器20以给出与振动模式图样取向角度α直接成比例的信号。将该数值提供给正弦/余弦传感分解器14，从而在相位探测器18的输出处保持零数值。还将取向角度α提供给正弦/余弦驱动分解器17以便沿着波腹轴线保持分解的驱动信号。

对于非优选的谐振器结构而言，在sin2θ和cos2θ模式频率中的小差异将导致在径向波节点处的正交运动显著上升。众所周知这会导致不需要的振动图样漂移但是可以利用如图4中所示的正交调零回路通过将谐振器的正交运动调零来消除。这就分解了与波腹信号正交的波节信号并且沿着波节轴线提供驱动信号，从而输入给正交调零回路21的信号总是零。

从积分器20导出的α值当在22处由Bryan因数正常化时给出了陀螺仪本体绕着z轴已经转动过的角度的直接测量值。

在图5中大致地显示出x和y轴速率感测的实施方式。对于平面外速率响应模式而言，方便的是使用相对于固定参考轴线位于0°和90°处的两个传感元件23和24，但是也可以采用隔开30k°(其中k是奇数)的任何两个传感元件。这些传感元件适当地设置在环缘的上面和/或下面以探测平面外运动。同样，方便的是使用两个位于180°和270°处的驱动变换器元件25和26来控制环的平面外运动。

图5显示出与x-和y-轴陀螺仪操作结合的用于上述z轴速率积分模式的电子控制电路。主回路27包括在图4中所示的用于平面内载波模式的锁相环路15和增益控制回路16。同样，速率积分回路28包括图4的相位探测器18、RIG回路控制器19和积分器20。

将X轴传感器23的输出提供给x轴速率回路29，并且将驱动信号提供给x轴驱动元件25以便在传感器23处将信号调零。同样，将y轴传感器24的输出提供给y轴速率回路30，并且将驱动信号提供给y轴驱动元件26以便在传感器24处将信号调零。

在平面内和平面外模式在频率上都精确匹配的情况中，平面外响应模式运动将与平面内运动同相，但是在存在任意小频率分离的情况中，将探测到正交运动。可以将其它驱动信号提供给x-和y-轴驱动元件25和26上以将给正交运动调零以便在传感元件23和24处保持真实的零。

虽然x-和y-轴驱动和传感变换器元件23、24、25、26沿着输入转动轴对准，但是对有关这些轴的速率输入的响应取决于载波模式图样的取向α。必须采用平面内载波模式角度方位α从这些响应中对所施加的速率进行分解。将来自x-和y-轴回路29、30的驱动信号提供给正弦/余弦x-y分解器31，并且沿着α(cos(3θ+2α)响应)和α+30°(sin(3θ+2α)响应)分解同相驱动电平以获得x-和y-轴速率信号。

在本发明的概念内可以有许多变化。例如，可以将其它驱动和传感元件设置在与振动元件的模式对称性相匹配的其它角度方位处而不会改变该装置的基本功能性。更概括地说，本发明的控制方案可以用于在英国专利申请No.2318184A和2335273A中所述的平面内载波和平面外响应模式的任意组合。

本领域普通技术人员还将知道的是，谐振器元件可以由各种材料制成，例如电子成型或微机加工金属、石英、多晶硅或块硅。材料的选择通常是由制造方法决定的，反之亦然。还可以看出，驱动装置和/或传感装置可以采用各种原理操作，尤其是静电学、电磁学、压电学或光学原理。

Claims (17)

1.一种振动结构陀螺仪，包括谐振体、用于驱动谐振体的谐振运动的驱动变换器装置、用于产生代表谐振运动的信号的传感装置，以及用于提取z轴载波振动模式取向信息并且用于使该信息正常化以给出在绕着z轴的角度取向方面的信息并且用来从信号中提取x-和y-轴速率信息的信号处理装置。

2.如权利要求1所述的陀螺仪，其中谐振体是一种平面环结构，并且谐振运动在环平面中以振动模式图样进行，环平面相对于谐振体的取向角度与谐振体绕着其z轴的取向成比例地变化并且根据谐振体绕着x-或y-轴的转动将能量加倍成平面外响应模式运动，并且其中信号处理装置参照代表绕着z轴的取向的z轴取向信号将平面外响应模式运动分解以提取x-和y-轴速率信息。

3.如权利要求2所述的陀螺仪，其中所述传感装置包括多个设置用来感测在谐振体平面中的谐振运动的第一传感器以及多个设置用来感测谐振体平面外响应模式运动的第二传感器。

4.如权利要求3所述的陀螺仪，其中所述多个第二传感器被分开30k°，其中k为奇数。

5.如权利要求2至4中任一项所述的陀螺仪，其中所述驱动变换器装置包括多个利用驱动分解器驱动的平面内驱动变换器，该驱动分解器利用来自z轴载波振动模式取向信号的输入来给出沿着振动模式图样的取向角度分解的结果驱动信号。

6.如权利要求3或权利要求4或当附加上权利要求3或权利要求4时的权利要求5所述的陀螺仪，其中所述信号处理装置包括速率积分装置，该速率积分装置利用传感分解器从多个第一平面内传感器中获取输入信号并且输出z轴取向信号，还包括x-y-轴分解器，该分解器获取提供给多个平面外驱动变换器的输入驱动信号，参考z轴载波振动模式取向信号分解这些信号并且输出x-和y-轴速率信息。

7.如权利要求6所述的陀螺仪，其中将来自传感分解器的波腹信号提供给锁相环路，该环路调节驱动变换器装置的驱动频率以跟踪谐振最大。

8.如权利要求7所述的陀螺仪，其中将所述波腹信号提供给增益控制回路，该回路调节被提供给驱动变换器装置的驱动电平以保持恒定的波腹信号。

9.如权利要求6至8所述的陀螺仪，其中将来自传感分解器的波节信号提供给速率积分装置。

10.如权利要求9所述的陀螺仪，其中速率积分装置包括相位探测器，该探测器分解与波腹信号同相的信号分量。

11.如权利要求9或10所述的陀螺仪，其中所述速率积分装置包括速率信号发生器装置，该信号发生器装置获取波节信号并且输出与绕着z轴的振动模式图样的转速成比例的速率信号。

12.如权利要求11所述的陀螺仪，其中所述速率积分装置还包括积分器，用来将速率信号积分以输出z轴取向信号。

13.如权利要求2至12中任一项所述的陀螺仪，其中将z轴载波振动模式取向信号提供给正常化装置，该正常化装置将Bryan因数提供给z轴载波振动模式取向信号以给出谐振体绕着z轴转过的角度的直接测量值。

14.如前面权利要求中任一项所述的陀螺仪，其中所述传感装置包括其输出被提供给x轴速率回路的x轴传感器以及其输出被提供给y轴速率回路的y轴传感器，并且x-和y-轴速率回路分别将驱动信号提供给x-和y-轴驱动变换器装置以将在相应传感器处的信号调零。

15.如前面权利要求中任一项所述的陀螺仪，其中正交调零回路沿着波节轴线将驱动信号提供给驱动变换器装置，以使给正交调零回路的输入保持为零。

16.一种适应于作为围绕两个轴的速率陀螺仪和围绕第三个轴的全角陀螺仪操作的三轴陀螺仪感测装置。

17.一种振动结构陀螺仪，基本上如参考附图2-5中任意一个所述以及如附图2-5中任意一个所示。

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